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LA ENERGÍA EN EL UNIVERSO
3. LA ENERGIA EN EL UNIVERSO
LECTURA: EL SISTEMA SOLAR ...................................................................
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3. LA ENERGIA EN EL UNIVERSO
El cosmos contiene energía bajo diversas formas: gravitacional (o de atracción
entre todas las masas –astros- que lo componen), cinética (la asociada al
movimiento de todos los astros, y del conjunto de estos, como es el caso de
los sistemas solares y las galaxias), eléctrica (energía química inherente a
las sustancias combustibles, importantes en la tierra, pero de poca entidad
en el conjunto total), energía electromagnética (irradiada por las estrellas,
en todas sus formas) y energía nuclear (la más importante, asociada a la
formación de la propia materia)
Figura 3.1. Cosmos
Estas formas de energía pueden clasificarse según “órdenes de mérito”, siendo
la energía superior la de menor entropía (menor desorden). De acuerdo con
esto, la clasificación queda por este orden: energía gravitacional, energía de
movimiento, energía nuclear, energía electromagnética y energía eléctrica
(química).La energía de una forma superior puede degradarse a otra inferior,
pero no al revés.
(Sólo la vida puede hacer el efecto contrario, a nivel local, siempre a expensas
de un aumento global de la entropía)
En el Universo, el flujo de energía se establece a partir de las reacciones
termonucleares en las estrellas y de la contracción de las masas,
convirtiéndose la energía gravitatoria en energía cinética de partículas y
energía electromagnética (incluyendo luz visible, rayos cósmicos, etc.)
(La gravitación no lleva consigo entropía: y esta es la razón por la que una
central hidroeléctrica pueda tener rendimientos próximos al 100%, superior
al de cualquier otra central, al haber una mínima transformación a energía
calorífica. El flujo de agua desde una presa hasta el centro de la Tierra es
una “contracción gravitacional controlada”, a una escala muy moderada en
comparación con lo que ocurre en el Universo)
¿Cómo es posible que la energía gravitatoria del Universo sea aún
predominante tras 10.000 millones de años de evolución cósmica?, ¿Por qué
no se ha producido un “colapso gravitacional”?
Ello ocurre por la existencia de una seria de “retardos” en este proceso
natural.
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•
El primero, el enorme tamaño del Universo, su baja densidad.
Si “t” es el tiempo en que dos masas tardan en juntarse (y desaparecer
la energía gravitacional mutua), el tiempo T para el colapso final puede
ser muy grande. En efecto, si la densidad fuera 1 átomo por m3, el
tiempo de “caída libre” T sería de 100 millones de años para nuestra
galaxia, que tiene una densidad un millón de veces superior a la del
Universo “localmente visible” con los más potentes instrumentos.
(Un choque entre astros de una galaxia originaría un colapso
gravitacional “local”. Sin embargo, la distancia entre los astros de una
galaxia es tan grande que un colapso de este tipo es poco probable)
•
El segundo retardo es el debido al giro de los astros y de las galaxias,
a su gran energía cinética.
Este giro preserva a las estrellas de “caer” hacia el centro de su
galaxia, y a la Tierra de “caer” hacia el Sol.
(Sin el giro no se hubiesen podido formar los sistemas planetarios,
cuando el Sol se condensa a partir del gas interestelar)
(En todo caso, encuentros ocasionales, y la lenta pérdida de energía
cinética de todos los sistemas solares hacen inevitable la “caída” de los
planetas hacia el Sol y de las estrellas hacia el centro de la galaxia)
•
El tercer retardo es el termonuclear, consecuencia de la “combustión”
del H2 para formar Helio (al calentarlo y comprimirlo el H2 forma Helio
y libera gran cantidad de energía que impide la compresión del Sol,
el colapso sobre sí mismo. Por consiguiente, ninguna estrella que
contenga hidrógeno puede llegar a su colapso hasta que no se haya
quemado una cierta cantidad de H2)
•
El cuarto retardo lo constituye el hecho de que el Sol sólo contiene
H2 ordinario, con sólo rastros de Deuterio y Tritio, (al contrario que
en una bomba termonuclear). (La reacción H2 - H2 es 1018 veces más
lenta que la del Deuterio y Tritio)
•
Otro retardo lo constituye el lento transporte de energía (por
conducción) desde el interior caliente de la Tierra o el Sol, hasta su
superficie (de manera que los núcleos calientes tardan muchos más
años en enfriarse)
(El núcleo caliente se deriva de la condensación gravitatoria original,
determinada por la incomprensibilidad mecánica del material de los
planetas, que por su tamaño no alcanzan la fase de desencadenamiento
de reacciones termonucleares que formarían una estrella)
Como no hay retardo que dure eternamente, en el Universo se suceden
continuas transformaciones, rápidas y violentas, cuya naturaleza aún se
ignora.
Los rayos cósmicos son unas partículas extraordinariamente energéticas,
cuya procedencia no se ha explicado totalmente, pero que sí conforman
un canal importante de transferencia de energía en el interior del Universo
(portan tanta energía como la luz de las estrellas). Se supone que su origen
está asociado a la aparición de “supernovas” (estrellas en explosión que
quemaron todo su hidrógeno y entraron en la fase de colapso gravitatorio.
Puede ocurrir una auténtica detonación termonuclear, en la que el núcleo de
la estrella estalle instantáneamente. Otra posibilidad es que se incremente
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la velocidad de giro a medida que la estrella colapse y la inestabilidad
hidrodinámica la haga saltar en pedazos)
Las radiogalaxias (nubes de electrones enormemente energéticos que
emergen de las galaxias), las fuentes de Rayos X, los “quasars” y “pulsars”,
etc., son otras manifestaciones energéticas del Universo.
Figura 3.2. La Vía Lactea
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LECTURA: EL SISTEMA SOLAR
Para tener una idea más exacta de lo que significa la energía solar para la Tierra, es conveniente
conocer un poco mejor nuestro “sistema solar”, y en particular “nuestro Sol” y nuestras relaciones
con él. (Figura 3.3)
Figura 3.3 Sistema solar
Desde un punto de vista “dimensional”, de tamaños, el Sol tiene un diámetro de 1,4 millones de
Km, siendo el diámetro de la Tierra 12.761 km y el de la Luna 3.476 km.
La distancia entre la Tierra y el Sol es de 150 millones de km, y entre la Tierra y la Luna, 356406.000 km.
NOTA:
Si a la Luna le asignamos un tamaño de una canica de 2 cm de diámetro, la Tierra sería una
pelota de tenis de 6,5 cm de diámetro y el Sol un globo de 700 cm (7 metros) de diámetro.
La distancia de la canica a la pelota de tenis sería de 200 cm (2metros) y de la pelota de tenis
al globo de 76.500 cm (765 metros)
Un futbolista situado en una portería tendría la pelota de tenis a sus pies, la canica a dos pasos
y el globo a una distancia de 8 campos de juego. (Figura 3.4)
Figura 3.4
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El Sol (cuyo diámetro es de 109 veces mayor que el de la Tierra), tiene una masa de 2.200 x 1024
(2.200 cuatrillones) de toneladas (334.000 veces más que la Tierra) y 745 veces la masa de todos
los planetas de su sistema.
Sin embargo su densidad es de 0,25 la de la Tierra o 0,41 la del agua.
El Sol (y todo su sistema) gira alrededor del centro de la galaxia, que a su vez también se desplaza
por el firmamento. Todo ello hace que el Sol se mueva a una velocidad superior a los 60Km/
segundo.
El Sol es una “cuasiesfera” compuesta por un gas caliente y condensado, al que se denomina
“plasma” (las partículas que componen su núcleo no están estructuradas en átomos y moléculas,
como ocurre en su periferia o en la Tierra)
ZONA DE
RADIACIÓN
NÚCLEO
CORONA SOLAR
ZONA DE
CONVECCIÓN
FOTOSFERA
NÚCLEO
CROMOSFERA
ZONA DE
RADIACIÓN
FOTOSFERA
AGUJERO DE LA CORONA
ZONA DE CONVECCIÓN
Figura 3.5 Composición del Sol
En la superficie del Sol la temperatura media es de unos 6.000ºK.; sin embargo la temperatura
en las zonas centrales varía de 8 a 40 millones de grados y la presión alcanza casi un millón de
atmósferas, frente a una densidad entre 80 y 100 veces la del agua.
El Sol es un enorme reactor de fusión donde los gases permanecen contenidos en una esfera por
las fuerzas gravitatorias.
La fotosfera o capa superior que envuelve a la zona convectiva es opaca, bien definida, con una
densidad muy reducida y de poco espesor (alrededor de 300Km). Su temperatura no es más que
de algunos miles de grados (4.000ºK) y la presión es del orden de una centésima de atmósfera.
Los gases que la componen están fuertemente ionizados y absorben y emiten un espectro continuo
de radiación.
Es la responsable de la mayor parte de la radiación que recibe la Tierra.
Por encima de la fotosfera existe una capa de gases más fríos llamada capa de inversión. Después
se encuentra la cromosfera, con una altura de unos 10.000Km, con los gases a una temperatura
superior a los de la fotosfera y con una densidad menor. Envolviendo a todas estas capas está la
corona, de bajísima densidad y alta temperatura: 1 millón de ºK, con un espesor de alrededor de
un millón de kilómetros.
En buenas condiciones de observación se comprueba que la superficie es granulosa. Los “granos”
tienen un diámetro de 400 a 1.000km y una duración de vida de algunos minutos.
También se observan periódicamente grandes remolinos en forma de manchas solares, que tienen
miles de kilómetros; una de ellos, medido en 1.974, tenía 150.000km. de diámetro (un volumen
superior a 30 Tierras)
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Las manchas de Sol aparecen por ciclos, aumentando el número de año en año, hasta alcanzar
una cúspide, durante cuyo tiempo el Sol queda ampliamente “manchado”.
Luego declina esta incidencia hasta que por algunos años el Sol parece despejarse por completo.
Estos ciclos se producen con once años de intervalo.
En momentos de gran actividad ocurren erupciones de material que alcanzan cientos de miles de
km. hacia arriba, invisibles a simple vista.
Figura 3.6 Erupción solar
Casi toda la materia del primitivo Sol era hidrógeno, formado por un protón y un electrón. En tanto
se iba elevando la temperatura, estos protones, ya sin capa protectora, fueron chocando cada vez
más con su ímpetu, hasta formarse unos núcleos con cuatro partículas: los núcleos de helio.
Esta fusión del hidrógeno para formar helio libera una gran cantidad de energía (se trata del mismo
proceso que tiene lugar en la bomba de hidrógeno, cuatro núcleos de hidrógeno se fusionan para
formar un núcleo de helio, liberando 26.700.000eV)
La formación de este verdadero torrente de energía requiere la formación de 630 millones de
toneladas de helio por segundo para mantener la radiación solar. Pese a ello el Sol existe y brilla
desde hace unos 6.000 millones de años. En todo este tiempo sólo una mínima porción de su inmenso
contenido se ha fusionado en helio. E incluso hoy en día muchísimo más de la mitad de la masa
solar es hidrógeno y existe suficiente para mantener el ritmo actual durante otros 8.000 millones
de años, como mínimo, sin cambios significativos en su aspecto o en su comportamiento.
Algunos matemáticos sostienen que debido al aumento de la temperatura interna el volumen y
el brillo del Sol crecerán en el futuro, convirtiéndose finalmente en una estrella gigante roja que
abrasará a sus planetas antes de convertirse en una enana, tan negra y fría como el espacio.
La energía radiada por el Sol es de tipo electromagnético (infrarrojo, luz visible, ultravioleta) y
también fotones.
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Toda esta corriente de energía, al abandonar el Sol, se extiende y difumina radialmente por el
espacio, abarcando una superficie esférica de unos 260.000 billones de kilómetros cuadrados, de
los que la Tierra supone una parte insignificante.
Debido a la excentricidad de la órbita terrestre, la constante solar en el exterior de la atmósfera
oscila entre 1.400w/m2 el 4 de enero (máximo acercamiento o perihelio) y 1.309w/m2 el 5 de julio
(mínimo acercamiento o afelio)
Sin embargo, del Sol nos llega más materia de lo que hasta ahora se había supuesto. No toda la
materia arrojada “hacia arriba” desde su superficie vuelve al Sol. Una parte de la misma (como las
finas gotas de mar llevadas a Tierra por el viento) deja al Sol y se propaga por el exterior en forma
de tenues emisiones de protones y electrones. Es el “viento solar”.
Cuando llegan al campo magnético de la Tierra, que forma una esfera protectora (perforada sólo en
los polos) denominada Cinturón de Van Allen, dan lugar a las espectaculares “auroras boreales”.
El viento solar no es constante. De vez
en cuando se torna más intenso. Esto
sucede principalmente en las épocas
de mayor actividad de las manchas
solares, hallándose asociado sobre
todo con los destellos que se producen
ocasionalmente al lado de una mancha
solar durante una hora. Esta llamarada
o protuberancia descarga una enorme
rociada de partículas hacia el espacio,
y si adopta la dirección de la Tierra,
la nube de partículas invade nuestra
atmósfera superior en menos de un día.
Entonces, las auroras boreales son más
resplandecientes y se produce lo que se
llama una tormenta eléctrica.
A parte de los protones y electrones, las
reacciones de fusión que tienen lugar en el
centro del Sol liberan también neutrinos,
tan minúsculos y tan indiferentes a la
materia ordinaria, que surgen del centro
del Sol a la velocidad de la luz sin verse
afectados en absoluto por la restante
materia solar. Llegan a nosotros ocho
minutos después de haberse formado,
procedentes directamente del centro del
Sol.
Figura 3.7 Aurora boreal
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