The Universe in the Classroom

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

El deseo de agitación

El perfil de temperatura no es el único requerimiento para la convección. La fuerza que impulsa la convección---la diferencia de peso entre un fluido caliente y uno frío---debe vencer la resistencia natural del fluido al movimiento, conocida como viscosidad.

Los comerciales de salsa catsup Heinz, lo muestran rápidamente. Si Ud. cree en ellos, Heinz es más viscosa que sus competidoras. Es difícil sacarla de la botella. Debe ser más difícil comenzar la convección en una cuba de salsa catsup Heinz que en otra llena con cualquier otra salsa catsup.

El aire, también, es viscoso. Su resistencia al movimiento es lo que hace que lentas gotas de lluvia y paracaidistas caigan a una velocidad razonable. Si la viscosidad del aire fuera menor, las gotas de lluvia caerían más rápido y podrían destrozar los techos de los autos y matar pequeños perros. Pero la viscosidad del aire es lo suficientemente pequeña como para no detener la convección en la atmósfera.

Earth and Jupiter
Figura 6
Tapiz planetario. Como la crema en el café, las nubes en el planeta gigante Júpiter se doblan, retuercen y ondulan en configuraciones psicodélicas. Estos sistemas de tormentas empequeñecen la Tierra, superpuesta para comparación en escala. Tal turbulencia es lo que acontece cuando se produce convección. La gran mancha roja es la forma oval en el borde superior derecho. Foto cortesía de la NASA.

En algunos casos, la viscosidad es demasiado pequeña, y la convección se escapa de control, y los lindos y ordenados patrones de la Figura 1 degeneran en inestables e impredecibles turbulencias. En la convección turbulenta, el fluido asciende en haces formados por remolinos espirales. Estos remolinos aparecen sin aviso, tal como los pasajeros de un avión que han estado en un vuelo agitado podrán testificar. Las caóticas volutas del humo de un cigarrillo, o su proyección sobre una pared detrás de un calefactor eléctrico, es convección turbulenta. Así como hay remolinos en la nubes de Júpiter (ver Figura 6).

Profundamente, bajo el suelo, el problema no es la viscosidad demasiado pequeña, sino la demasiado grande. Los continentes y el piso oceánico de la Tierra flotan en un mar de roca caliente, conocido con el nombre de manto (ver Figura 2). La viscosidad del manto es enorme, tan grande que parecería que el manto no se moviera en absoluto. Pero durante miles y millones de años, el manto se mueve. Esta lenta deriva creó muchas de las formas continentales que vemos hoy en día.

Una manera de saber que el manto se mueve es mediante la observación de cómo ha respondido el suelo desde la finalización de la última era glaciar. Durante la Edad de Hielo, Escandinavia y otras tierras del norte estuvieron cubiertas por glaciares de kilómetros de espesor. El enorme peso de los glaciares presionó sobre la tierra. Cuando el hielo se derritió, la tierra esperaba saltar nuevamente hacia arriba. Pero como reacción, el manto por debajo debía estar preparado para fluir. Se necesitan 150 años para que la tierra se mueva hacia arriba 30 centímetros, y midiendo esto, los geólogos han calculado la viscosidad del manto.

Debido a que el manto es fluido y caliente, puede moverse por convección. Para vencer la alta viscosidad se necesita mucho calor, que es provisto por uranio, torio, y potasio radioactivos, en un tipo de reactor nuclear a fuego lento. El manto se agita en ciclos convectivos gigantes de 725 kilómetros de profundidad y 1500 kilómetros de ancho. Haciendo esto, arrastra las placas que forman la superficie de la Tierra. Cuando esas placas se rozan unas contra otras, causan los terremotos; cuando las placas chocan una contra otra, se ondulan formando montañas. Los terremotos y los volcanes son sólo una manera de enfriar la Tierra.

Otros planetas también poseen mantos. En Venus, el manto no arrastra placas horizontalmente. En cambio, el manto venusino parece empujar la superficie verticalmente. En algunas áreas, este empujón vertical ha creado colinas. Miranda, una de las lunas de Urano, parece tener un manto de hielo, más que de roca. La convección en este manto helado contornea la superficie en nudosos patrones de montañas, colinas y valles (ver Figura 7).

Miranda
Figura 7
La luna con galón. Miranda, uno de los satélites de Urano, luce más como una insignia militar que como una luna. El pequeño satélite, de alrededor de 500 kilómetros de diámetro, está estampado con misteriosas formas parecidas a diamantes. Esta imagen del Voyager 2 muestra tres de estas formas: Elsinor (izquierda), Inverness (centro) y Arden (derecha). Estas figuras pueden ser el resultado de la convección dentro de la atormentada luna. Foto cortesía del Jet Propulsion Laboratory.

De chimeneas de lava a torrentes de lava

La urgencia del manto por perder calor puede también ser causa de que la roca burbujee hacia la superficie. Las burbujas son más pequeñas y de menor vida que los ciclos gigantescos de convección completa, pero también ayudan a los planetas a enfriarse.

Las lámparas de lava funcionan sobre el mismo principio. El calor produce burbujas que flotan hacia arriba. Si Ud. da vuelta una botella de almíbar de arriba a abajo, puede ver burbujas de aire subir lentamente. Básicamente, la misma cosa sucede en los planetas, excepto por el hecho de que las burbujas están hechas de roca caliente en lugar de aire. De hecho, los científicos han observado burbujas en almíbar con el objeto de comprender el efecto de las burbujas rocosas en la superficie de los planetas. Debido a que las burbujas transportan roca caliente desde el interior del planeta hacia la superficie, ellas abastecen a los volcanes con lava. Esto es lo que sucede en los volcanes de Hawaii y en el este de Africa. El 10 por ciento del calor terrestre escapa de esta manera.

En Venus, las burbujas son aún mas importantes que en la Tierra. La superficie venusina está cubierta de volcanes y terrazas circulares llamadas coronas. Las coronas tienen varios cientos de kilómetros de diámetro y parecen formarse cuando burbujas calientes empujan y estiran la superficie (ver Figura 8).

Venus
Figura 8
Burbujeo en Venus. Burbujas ascendentes de roca caliente, de cientos de kilómetros de diámetro, pueden empujar la superficie venusina y formar montañas. Cuando la burbuja está aún muy por debajo del suelo, comprime el fluido entre ella y la superficie, causando que la superficie se deforme hacia arriba (imagen superior). Conforme la burbuja se aproxima a la superficie, comienza a aplastarse como la masa de una pizza redonda (imagen del centro). Después de lo cual la burbuja se enfría y la superficie se hunde (imagen inferior). Dibujo por cortesía de Steve W. Squyres, Universidad de Cornell.

Los ciclos convectivos pueden tener miles de kilómetros de altura, como sucede en las estrellas, cientos de kilómetros de altura, como se presentan en los planetas; o sólo unos pocos centímetros de alto, como sucede en una tetera. Pero no importa si son pequeños o grandes, la idea básica es la misma. Recuérdelo la próxima vez que haga hervir el agua.

Actividades en la clase

Corrientes convectivas en el agua

Esta demostración requiere una jarra de vidrio y una estufa, mechero bunsen, u otro calentador. Una cafetera automática de goteo es perfecta. Llene la jarra con agua y agregue aserrín, limaduras de hierro, granos de pimienta u otras partículas pequeñas al agua. Dele tiempo a las partículas para que se asienten en el fondo y entonces encienda la hornilla. El agua comenzará el ciclo convectivo y las partículas seguirán las corrientes convectivas.

Si enciende la luz de un proyector de diapositivas y la hace pasar a través del agua caliente y la proyecta sobre una pantalla, puede ver vívidas sombras producidas por la convección del vapor de agua que asciende.

Corrientes convectivas en el aire

Sostenga un molinete sobre una vela o un mechero. La llama caliente producirá corrientes convectivas en el aire, induciendo el giro del molinete.

Traducido por Beatriz García

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