The Universe in the Classroom

www.astrosociety.org/uitc

No. 28 - Fall 1994

© 1994, Astronomical Society of the Pacific, 390 Ashton Avenue, San Francisco, CA 94112.

El trastorno de los planetas, de las estrellas y de las chimeneas de lava

por George Musser, Astronomical Society of the Pacific

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Figura 1
Convección en una olla. Las llamas debajo de la olla calientan el agua en el fondo. Al calentarse el agua, se expande y se eleva. El agua fría situada en la superficie se hunde hacia abajo, donde comienza, asimismo, a calentarse. El proceso continúa hasta que Ud. apaga la hornilla. El ciclo convectivo distribuye el calor de la estufa uniformemente en toda el agua en la olla.

Fundamentos de la Convección

Las estrellas presentan el fenómeno, las heladas lunas también, aún las tazas de café lo muestran. Desde lo pequeño a lo de mayor tamaño, las cosas sufren convección. La convección, el movimiento del calor producido por el movimiento de la materia, es un tema recurrente en ciencias, y un recordatorio vívido de que los objetos astronómicos no son en realidad muy diferentes de los objetos de todos los días. Pueden ser más grandes, más calientes y más lejanos, pero las mismas leyes de la física determinan su comportamiento.

La convección es una consecuencia de uno de los mecanismos más básicos en la naturaleza: las cosas calientes tienden a enfriarse. Si la cosa es un fluido (aire, agua, algo que pueda fluir) ésta puede enfriarse por movimiento. El aire caliente sube, el aire frío desciende: se trata de sentido común. Es convección. De esta idea básica puede devenir algún fenómeno interesante.

La próxima vez que Ud. ponga a hervir agua, llene el jarro con agua caliente y note cuanto más liviano es que un jarro con agua fría (si Ud. no confía en Ud. mismo, ponga los jarros sobre una balanza). Esta diferencia en el peso mantiene el proceso de convección. Si Ud. pone agua en una olla sobre la hornilla de la estufa, el agua en el fondo de la olla se calentará primero. El fluído más frío, que está por arriba, es más pesado, por lo tanto fuerza al fluído de mayor temperatura, que está por debajo, a desplazarse hacia la superficie. La hornilla calienta y produce la ascención del agua que se encuentra en el fondo; el aire enfría el agua caliente en la superficie. Por lo que, nuevamente, hay un intercambio de lugares en las masas de agua, y así siguiendo. Se inicia un ciclo, como se muestra en la Figura 1. El mismo, produce el transporte de calor desde la hornilla hacia arriba, al aire.

Enfriándose
¡Oh, un día con smog!
El deseo de agitación
De chimeneas de lava a torrentes de lava
Actividades en la clase

Enfriándose

Sucede que la convección es una excelente manera de mover el calor de un lugar al otro. Las estrellas y los planetas usan este tipo de ciclo para llevar el calor desde su interior al exterior. La pérdida del calor es el mayor problema de las superficies de las estrellas y planetas. Las estrellas generan calor a partir de reacciones nucleares; los planetas lo hacen por radioactividad. Dentro de las estrellas y planetas hace calor. Si Ud. bajara dentro de una mina de oro a unos 3 kilómetros de profundidad, el termómetro ascendería a más de 75 grados C. El calor debe escapar de algún modo.

Hay tres posibles maneras para que esto suceda. Primero, el calor puede moverse por conducción: las moléculas se golpean en su entorno y transfieren calor en una especie de efecto dominó. Cuando Ud. pone su mano contra una ventana helada en un día de invierno, la ventana extrae calor de su mano por conducción.

Segundo, el calor puede moverse por radiación. Usualmente, cuando la gente piensa en radiación, piensa en armas o plantas de energía nuclear, en mutantes, en Chernobyl. Pero para los científicos, radiación sólo significa algun tipo de rayos de luz, visible o invisible (tal como la infrarroja o ultravioleta). Las cosas calientes brillan, produciendo luz que transporta el calor hacia afuera. Este es el motivo por el cual el Sol brilla y calienta la Tierra. Es también el fenómeno que explica por qué Ud. siente calor cuando está sentado frente a una chimenea o un calefactor eléctrico. El desierto es muy frío durante la noche porque Ud. y el aire en torno de su cuerpo están emitiendo radiación en el infrarrojo, perdiendo calor hacia el espacio externo. Los equipos de supervivencia contienen "mantas espaciales", que básicamente son grandes hojas de papel de aluminio, y éstas ayudan a mantener la temperatura del cuerpo por reflejo de la radiación infrarroja del mismo, que retorna a él.

La convección es la tercera manera por la cual el calor puede moverse. En lugar del efecto dominó molecular, o corriente de rayos calóricos, la convección se basa en el movimiento del fluido. Cuando un fluido caliente se mueve, arrastra el calor con él. Se puede pensar en las tres maneras por las cuales el calor se mueve si imaginamos una nota de amor a su enamorado o enamorada circulando a lo largo del salón de clases. Puede pasársela a la persona sentada a su lado y solicitarle que la haga circular (como en el caso de la conducción), puede usar una señal de linterna (radiación), o bien puede pararse, caminar a lo largo de la clase y entregar la nota a la persona interesada directamente (como en el caso de la convección).

La convección es la última forma de liberar el calor; es difícil de iniciar, por lo que el calor prefiere escaparse por conducción o radiación. Pero la conducción es lenta y la radiación no actúa en un medio opaco: dentro de un planeta y en ciertas regiones de una estrella. En esos casos, sólo la convección puede hacer el trabajo.

El mecanismo de pérdida del calor determina el aspecto de los planetas. Los planetas interiores del sistema solar están compuestos por rocas. Normalmente pensamos en las rocas como cuerpos sólidos, pero éstas pueden comportarse como un líquido si Ud. espera lo suficiente; digamos, millones de años. Las rocas pueden transportar el calor por conducción o convección; son opacas, por lo que bloquean la radiación. Los planetas fríos y pequeños, tales como la Luna o Marte, pierden su calor por conducción. La Tierra y Venus prefieren la convección (ver Figura 2). La convección es mucho más emocionante. Ella suministra energía a las placas tectónicas y a otros fantásticos aspectos de la geología que presentan tanto la Tierra como Venus.

Earth or Venus interior
Figura 2
El interior de la Tierra o de Venus. Construimos nuestros edificios y comemos nuestros alimentos sobre una delgada corteza de roca sólida, como espuma sobre un estanque. Por debajo hay un vasto mar de roca fluida llamado manto, agitado continuamente por convección. El manto mismo se encuentra sobre un núcleo compuesto por hierro fundido.

Dentro de una estrella, la conducción no puede actuar debido a que las moléculas están muy separadas unas de otras, por lo que el calor se mueve por radiación o convección. La radiación opera donde el gas de la estrella es transparente, cosa que sucede cuando ella está especialmente caliente. En estrellas de dimensiones intermedias, como el Sol, la radiación transporta el calor muy adentro en el interior de la estrella, donde es más caliente (ver Figura 3), y la convección opera hacia el exterior, donde es más fría. En estrellas pequeñas y frías, la convección es el mecanismo predominante; en estrellas grandes y de mayor temperatura, la radiación es el mecanismo principal.
Sun's interior
Figura 3
El interior del Sol. Sólo una pequeña parte del Sol, su núcleo, genera energía. El resto del gas estorba al calor que trata de salir. La mayor parte del interior del Sol está lleno de un gas transparente, y la energía pasa a través de él en forma de radiación. Pero hacia la superficie, el gas es más frío y opaco, por lo que la radiación no puede atravesarlo. La convección es la que se encarga de transportar el calor.

La convección le da a nuestro Sol el aspecto "granuloso", tal como lo ven los astrónomos cuando observan el Sol con telescopios diseñados especialmente para ello (ver Figura 4). Cada uno de los pequeños gránulos en la figura 4 marcan un lugar donde la convección produce un burbujeo desde abajo hacia arriba. La convección eleva los átomos manufacturados en el centro de las estrellas. A los astrónomos les encanta esto, porque les da una idea de qué es lo que pasa dentro de las estrellas, donde no es posible la observación.
sunspot
Figura 4
Fuego y burbujas incandescentes. Esta imagen muy amplificada de la superficie del Sol muestra una mancha solar (manchones oscuros en el centro) y granulaciones (granos iluminados). Cada gránulo, pequeño como se lo ve, tiene el tamaño aproximado de Texas. Los gránulos fluctúan rápidamente, haciendo que el Sol luzca como la burbujeante pócima de una bruja. Las granulaciones son la parte superior del ciclo convectivo que transporta material desde el interior del Sol a la superficie. La foto es cortesía del Observatorio de Sacramento Peak.

 

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