¿Por qué brilla el Sol?

El Sol es la estrella del sistema planetario en el que se encuentra la Tierra y, por ello, es la más cercana a nosotros y la que muestra un mayor brillo aparente. Pero ¿por qué brilla el Sol? ¿cómo hace su luz para llegar hasta nosotros? ¿cómo se refleja en los demás astros?

En el núcleo de las estrellas, la presión y la temperatura son lo suficientemente elevadas como para propiciar que los átomos colisionen entre sí frecuentemente y con violencia. En estas colisiones se fusionan dos o más átomos en uno solo, reacción que recibe el nombre de fusión nuclear. Es este proceso el que permite que el Sol y todas las demás estrellas desprendan energía y brillen.

En nuestro sol, 564 millones de toneladas de hidrógeno son transformadas en 560 millones de toneladas de helio cada segundo. Los cuatro millones de toneladas aparentemente faltantes se transformaron en energía. Una gran cantidad de energía, una cantidad fabulosa de energía, como se puede apreciar aplicando la famosa ecuación de Einstein, que habla precisamente de la equivalencia masa-energía.

Esta energía resultante de las reacciones termonucleares viaja desde el centro hasta la superficie del Sol, donde es radiada en forma de luz al espacio circundante, en el que viaja a una velocidad cercana a los 300.000 km/s. La Tierra intercepta sólo una cantidad ínfima de este flujo generosísimo de energía, y la casi totalidad escapa hacia el espacio interestelar en todas direcciones.

Cuando esta luz encuentra un obstáculo en su camino choca contra la superficie de éste y una parte es reflejada y otra absorbida. Es la luz reflejada la que nos permite ver los diferentes planetas y astros sin luz propia —como la Luna— al igual que nos permite ver los objetos que nos rodean y su color.

Nota sabionda: La velocidad de la luz en el vacío, según la Teoría de la Relatividad de Einstein, es una constante para todos los observadores y se representa mediante la letra c (del latín celeritas). En el Sistema Internacional de Unidades toma el valor de 299.792,458 km/s.
Teniendo en cuenta que la distancia media Sol-Tierra es 1 U.A. (Unidad Astronómica) y equivale a 149.675.000 km, podemos decir que nos hallamos a unos 8 minutos luz del Sol o, lo que es lo mismo, que la luz que vemos en la actualidad hace 8 minutos que se originó en nuestra estrella.

Nota sabionda: Los electrones poseen la extraña cualidad de moverse en determinados orbitales sin consumir energía, pero cuando caen a un orbital inferior de menor nivel energético (más próximo al núcleo) emiten energía en forma de radiación. Algunos de esos saltos producen la radiación visible que llamamos luz.

¿Por qué el agua apaga el fuego?

El método más común —aunque no el único— para apagar un fuego es rociarlo con agua. Pero ¿por qué el agua apaga el fuego?

Para responder a esta pregunta primero debemos saber cómo funciona un fuego. Para que éste exista se necesitan tres elementos (llamados triángulo del fuego):

1. combustible
2. oxígeno
3. calor

Llamamos combustible a cualquier sustancia capaz de arder, pero más concretamente a aquellas que arden con facilidad, a las que tienen un punto de combustión mas bajo (gasolina, alcohol, carbón, acetileno…)

El oxígeno es un elemento esencial para que se lleve a cabo la combustión, es indispensable para que ocurran las reacciones químicas inherentes al fuego.

Para que el fuego se inicie, ha de haber suficiente calor como para que el combustible reaccione con el oxígeno. Una vez que el fuego comienza, el calor resultante de la propia combustión permite que más combustible se una con el oxígeno. El fuego produce más fuego, se realimenta en un proceso que solo finaliza si se acaba el combustible o el oxígeno.

El agua es un buen agente extintor porque es incombustible, no puede arder. Cuando se la acerca al fuego absorbe rápidamente el calor que éste desprende, la energía cinética de sus moléculas aumenta y se mueven cada vez más rápido distanciándose unas de otras, de tal manera que se transforma en un gas llamado vapor de agua: ha pasado del estado líquido al estado gaseoso.

En este proceso absorbe gran cantidad de calor y, en consecuencia, disminuye la temperatura del fuego, lo enfría; evitando así la reacción entre el combustible y el oxígeno.

Los bomberos utilizan en algunos casos unos pitones especiales en sus mangueras que lanzan el agua en forma de neblina, en unas gotitas muy pequeñas, lo que facilita que el agua se convierta en vapor y el proceso de extinción se acelere.

Una vez apagado el fuego en una zona, el agua lo moja y evita que éste vuelva a prender, al protegerlo con una ligera capa incombustible que la aisla del oxígeno.

Si el fuego se da en recintos cerrados el agua tiene una ventaja adicional. El vapor ocupa mucho más espacio que el líquido (en este caso aumenta el volumen unas 1700 veces) y puede desplazar el oxígeno del lugar, y sin él no hay fuego.

Resumiendo, el agua es excelente para apagar el fuego porque:

1. es incombustible
2. humedece el combustible aislándolo del oxígeno
3. enfría el combustible llevando la temperatura más abajo del punto de combustión

Nota sabionda: Una forma de extinguir un incendio muy focalizado (como por ejemplo un pozo de petróleo) es causar una explosión. La onda expansiva desplaza súbitamente el aire de ese punto. Y sin oxígeno el fuego se extingue. Es un proceso similar a lo que ocurre a escala reducida al apagar una vela de un soplido.

Por que nuestra Atmosfera es respirable?

Bueno, si no lo fuera no estaríamos aquí haciéndonos esa pregunta. O, si estuviéramos, nuestra biología sería muy diferente y a saber de nuestros procesos mentales.

Quizá la pregunta debería ser formulada de otra manera: ¿Por qué podemos respirar nuestra atmósfera y no otras? Tampoco. La podemos respirar porque hemos evolucionado de acuerdo a ella y no a la de los otros planetas.

Y qué tal… ¿Por qué la atmósfera tiene una proporción importante de oxígeno y no un predominio de amoniaco, metano, dióxido de carbono y otros gases, como en otros planetas del Sistema Solar?

Para responder a esto, nada mejor que empezar por el principio.

Según los astrónomos, los planetas tuvieron su origen en torbellinos de gas y polvo interestelar constituidos por los diversos elementos presentes en el cosmos. La composición de estas nubes —al igual que la del cosmos— era de un 90% de hidrógeno, un 9% de helio y el restante 1% incluía todos los demás elementos: principalmente neón, oxígeno, carbono, nitrógeno, carbón, azufre, silicio, magnesio, hierro y aluminio.

Las fuertes presiones gravitatorias amalgamaron aquellos elementos dando lugar a los globos sólidos. Así la Tierra surgió, principalmente, de una mezcla rocosa de silicatos y sulfuros de magnesio, hierro y aluminio, cuyas moléculas se mantenían firmemente unidas por fuerzas químicas. Claro que, durante este proceso, una serie de gases quedaron atrapados mediante uniones químicas débiles.

A medida que aumentaba la presión se hizo más violenta la acción volcánica y muchos gases fueron expulsados. Aunque el hidrógeno combinado con otros elementos —con oxígeno para formar agua, con nitrógeno para formar amoníaco o con carbono para formar metano— permaneció, las moléculas de hidrógeno y los átomos de helio y neón, al ser demasiado ligeros para ser retenidos, escaparon rápidamente. La mayor parte del vapor de agua se condensó y formó un océano y la atmósfera de la Tierra quedó constituida entonces por: vapor de agua, amoníaco, metano y algo de argón.

La atmósfera de los planetas interiores comenzó a evolucionar químicamente gracias a los rayos ultravioletas del cercano Sol, que rompieron las moléculas de vapor de agua en hidrógeno y oxígeno. Aunque el hidrógeno escapó, el oxígeno fue acumulándose y combinándose con amoníaco y metano. Con el primero formó nitrógeno y agua y, con el segundo, anhídrido carbónico y agua. Poco a poco, la atmósfera de los planetas interiores pasó de ser una mezcla de amoníaco y metano a una mezcla de nitrógeno y anhídrido carbónico.

La posterior acción de los rayos ultravioleta sobre el vapor de agua hace que se vaya acumulando oxígeno libre que posteriormente se transforma en ozono. Este ozono actúa de barrera al absorber la mayor parte de la radiación ultravioleta. Aquella que logra atravesar la capa de ozono en la alta atmósfera y romper las moléculas de agua más abajo es muy escasa, con lo cual se detiene la evolución química de la atmósfera y se convierte en estable.

Pero en la Tierra apareció un hecho nuevo que rompió la estabilidad: el desarrollo de un grupo de formas de vida capaces de utilizar la luz visible para romper las moléculas de agua. Como la capa de ozono no intercepta la luz visible, el proceso de la fotosíntesis podía proseguir indefinidamente, consumiendo anhídrido carbónico y liberando oxígeno.

Así, pues, hace 500 millones de años, la atmósfera empezó a convertirse en una mezcla de nitrógeno y oxígeno, que es la que existe hoy, y es la que respiramos.

Nota sabionda: Las atmósferas de los planetas exteriores, alejados de la luz solar, están formadas de vapor de agua, amoníaco, metano y algo de argón. Además de hidrógeno , helio y neón, que no escaparon porque estos planetas tienen la masa suficiente como para retenerlos.

Nota sabionda: Marte y Venus tienen hoy día atmósferas compuestas por nitrógeno y anhídrido carbónico, mientras que la Tierra debió de tener una parecida hace miles de millones de años, cuando empezó a surgir la vida.

¿Cómo se originan los truenos?

Durante una tormenta con componente eléctrico son abundantes los rayos, que son unas poderosas descargas eléctricas que se producen entre dos puntos con diferente potencial, sea entre nube y nube o entre nube y tierra.

Esta diferencia de voltaje se debe sobre todo a las diferentes velocidades de ionización de los componentes de los gases que forman dichas nubes, y la propia ionización de estos componentes se debe al efecto de la luz solar y a la diferencia de temperaturas entre los distintos estratos de la nube.

Este comportamiento explosivo de la súbita descarga eléctrica, crea un tubo de vacío parcial a lo largo de la trayectoria de menor resistencia seguida por los electrones. El aire situado en el interior del tubo se calienta y alcanza temperaturas de 25.000 a 30.000º C y se expande rápidamente en unas pocas millonésimas de segundo produciendo una gran presión en el canal que puede ser mayor de 100 atmósferas; pero al mezclarse con el aire frío del entorno baja bruscamente de temperatura y se contrae, lo que da como resultado una perturbación sonora característica: el trueno, que hace vibrar el tubo como la piel de un tambor, resonando y retumbando. Comportándose más como una onda de choque que como una onda de sonido típica.

¿Por qué se pega al cuerpo la cortina de la ducha?

¡Gran invento el de la mampara! La cortina también está bien, pero tiene esa molesta manía de pegarse al cuerpo.

Tan pronto como empieza a salir agua caliente de la ducha, las cortinas que hasta ese momento colgaban planas e inmóviles, se comban hacia dentro y se pegan al cuerpo.

Y a poco que te muevas se enganchan en los brazos, el costado… ¡para quieta ya!

Pero… ¿por qué? ¿por qué hace esto?

La razón de que esto ocurra es la diferencia de presión a ambos lados de la cortina. El agua caliente, aparte de humedecer el aire del interior, lo calienta, volviéndolo más ligero.

Así, asciende, y su posición pasa a ser ocupada por el aire más frío del otro lado de la cortina. Este aire, al desplazarse, ejerce presión sobre la cortina de plástico, que se mueve hacia el chorro de agua caliente.

Cuanto más caliente sea el agua, mejor se observará el fenómeno. Pero también se observa con menor intensidad con agua fría, pues basta con la humedad para que el aire sea más ligero.

¿Y si se derriten los polos?

Es un hecho comprobado que la temperatura media mundial aumenta. El masivo uso de combustibles fósiles, el incremento de la actividad industrial, la deforestación y otros aspectos de la actividad humana han incrementado la presencia en la atmósfera de dióxido de carbono, de óxido de nitrógeno y de otros compuestros como los clorofluocarbonados que atacan la capa de ozono y que han provocado el efecto invernadero.

Pero no vamos a hablar ahora de las causas sino del efecto de este aumento de temperatura en los hielos perpetuos de los polos.

El hielo de los casquetes polares se derrite de forma cada vez más acelerada. El volumen de hielo polar que se derrite como consecuencia del calentamiento global se ha duplicadpo en los últimos 13 años. Y se derrite más rápidamente —entre 3 y 4 veces— en el polo norte que en el polo sur, debido a que el hemisferio norte está más poblado y en él se emiten más agentes contaminantes.

Si todo el hielo se derritiera, el nivel del mar subiría. Hay varias estimaciones, pero los cálculos se sitúan alrededor de los 100 metros, suficiente para inundar muchas grandes ciudades costeras y para afectar a un alto porcentaje de la población mundial.

Pero contra lo pudiera parecer de entrada, es diferente que el hielo proceda de un polo o de otro. El del Polo Norte no aumentará el nivel del mar y el del Polo Sur sí. ¿Cómo es eso?

El hielo del Polo Norte está en gran parte flotando en el agua, pues el agua al congelarse se expande cerca de una undécima parte de su volumen, de manera que la misma cantidad de moléculas ocupan un espacio mayor. Así el hielo deviene menos denso que el agua y por ello flota.

Pero cuando se derrite, se contrae hasta su volumen original, que es exactamente equivalenrte a la parte del hielo que se mantiene sumergida bajo el agua. Y si ocupa el mismo volumen, el nivel del mar no aumenta.

Por contra, el hielo del Polo Sur, el de la Antártida está sobre tierra y su deshielo sí que aumentaría el nivel del mar. Igual ocurriría con el de Groenlandia, pues son un volumen añadido.

Para comprobar este punto nada más fácil que un sencillo experimento: poner un cubito de hielo en un vaso con agua y luego, con cuidado, llenar el vaso hasta el borde de agua, de tal manera que quede el vaso lleno al máximo sin rebosar y con el cubito de hielo flotando. El hielo se derretirá pero el agua no rebasará el borde del vaso.

¿Por qué la mayor parte de un iceberg se mantiene sumergida?

Para que el bloque de hielo se mantenga en equilibrio, es preciso que la fuerza ejercida por el hielo sobre el agua, su peso, iguale a la fuerza que el agua ejerza sobre el hielo.

Según el principio de Arquímedes, el hielo se sumerge de manera que desplaza una cantidad de agua que tiene el mismo peso. Si el agua y el hielo tuvieran la misma densidad, el hielo estaría totalmente sumergido en posición indiferente, sin hundirse y sin sobresalir.

Dado que la densidad del hielo es alrededor de un 10% menor que la del agua, a igualdad de masa el volumen ocupado es mayor. Entonces, para que se dé el equilibrio, el hielo desplaza un volumen menor que el propio, lo que comporta que su punta emerja un poco sobre la superficie del agua.

El hecho de que el hielo sea menos denso que el agua tiene importantes consecuencias para la vida como se puede ver aquí.

El hielo flota en el agua porque es menos denso.

Eso nos lleva a otras preguntas: ¿por qué el agua líquida es más densa que el agua sólida? ¿qué implicaciones tiene este hecho?

El estado de un cuerpo (sólido, líquido o gaseoso) viene determinado por la fuerza de atracción que las moléculas que lo componen experimentan entre sí.

Si esta atracción mantiene a las moléculas firmemente unidas en una posición fija, decimos que se trata de un cuerpo sólido. Pero no hay que olvidar que esas moléculas contienen cierta energía cinética o de movimiento que les permite vibrar en sus posiciones.

Si se suministra energía, por medio de calor por ejemplo, las moléculas ganan esa energía y vibran cada vez con más violencia, hasta que la atracción de las demás moléculas no basta para limitar ese movimiento. De manera que se rompen las ligaduras y las moléculas comienzan a moverse por su cuenta, deslizándose unas contra otras, chocando y empujándose. Se produce el cambio de estado y el cuerpo pasa de ser sólido a ser líquido.

Si se continúa aplicando calor, la velocidad de vibración aumenta y se produce un nuevo cambio de estado hacia el estado gaseoso.

De manera general, las moléculas de un cuerpo sólido están ordenadas de manera compacta. En una disposición que apiña las moléculas unas contra otras con muy poco espacio intermolecular. Así, cuando el sólido se funde y las moléculas se separan aumentando el espacio intermolecular, la sustancia se expande y su densidad disminuye.

Entonces, podemos decir que, de manera general, que los sólidos se expanden al fundirse y se contraen al congelarse.

Pero el agua no se comporta así. ¿Por qué?

Las moléculas del hielo están dispuestas en una formación especialmente laxa, en una formación tridimensional que tiene muchos huecos merced a los puentes de hidrógeno. En su caso, al calentarse y empezar a deslizarse las moléculas de agua, en vez de expandirse pasan a rellenar esos huecos o espacios intermoleculares, pasando a ocupar menos espacio en estado líquido que en sólido. Siendo, pues, menos denso el hielo que el agua.

Puede parecer un hecho baladí, pero no lo es en absoluto. Esta circunstancia resulta ser muy afortunada para la vida en la Tierra.

Cualquier hielo que se forme en una masa de agua flota en la superficie, aislando las capas más profundas del frío exterior y preservando el calor bajo la superficie. Esa capa aislante permite la vida bajo el hielo.

Además, al concentrarse en la superficie está más expuesto a  los rayos solares, siendo mayor la posibilidad de que se funda por efecto del Sol.

Su fuera al contrario y el hielo fuese más denso, se hundiría y dejaría expuesta al frío al agua de la superficie, que se congelaría y se depositaría en el fondo a su vez, lejos de los rayos solares que la podrían fundir. Si el hielo fuese másn denso que el agua, las reservas acuáticas del planeta estarían casi todas congeladas sin permitir gran parte de la vida que conocemos.

Así pues, esta característica del agua la hace especialmente útil para la vida.

Nota sabionda: Al fundirse un centímetro cúbico de hielo se forman 0,9 centímetro cúbicos de agua.

Nota sabionda: Cualquier trozo de hielo flota en el agua, con una décima parte por encima de la superficie y nueve décimas partes por debajo. Ver iceberg.