La misión GRAIL (Gravity Recovery and Interior Laboratory) de la NASA son dos satélites gemelos que orbitan la Luna estudiando las variaciones de su campo gravitatorio con una precisión sin precedentes. La técnica usada por GRAIL es una copia de la usada por la misión GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment), aún en órbita a la Tierra, pero gracias a la ausencia de atmósfera en la Luna se utiliza una órbita a una altitud muy baja, solo 55 km, logrando una resolución de solo 13 km (por cierto, este verano se redujo la altura a solo 22 km para mejorar la resolución, ahora están a unos 11 km y esta navidades acabarán sus días impactando en la superficie). Gracias al mapa del campo gravitatorio se logra explorar el interior de la Luna desde la corteza hasta el manto, revelando interesantes detalles de su historia pasada. La geofísica que dirige la misión, Maria T. Zuber (Massachusetts Institute of Technology, MIT, Cambridge) y su equipo han encontrado una serie de fracturas de unos cientos de kilómetros de largo (ocultas por la superficie y que no son el resultado de impactos); estas fracturas apoyan la hipótesis de que la Luna se formó tras un gran impacto de un planeta contra la Tierra. Nos lo cuenta Richard A. Kerr, “Peering Inside the Moon to Read Its Earliest History,” Science 338: 1272, 7 Dec 2012, haciéndose eco de los artículos técnicos de Maria T. Zuber et al., “Gravity Field of the Moon from the Gravity Recovery and Interior Laboratory (GRAIL) Mission,” Science Express, AOP 5 Dec 2012; Mark A. Wieczorek et al., “The Crust of the Moon as Seen by GRAIL,” Science Express, AOP 5 Dec 2012; y Jeffrey C. Andrews-Hanna et al., “Ancient Igneous Intrusions and Early Expansion of the Moon Revealed by GRAIL Gravity Gradiometry,” Science Express, AOP 5 Dec 2012.
Cómo y cuándo se formó el Gran Cañón del Colorado ha sido objeto de controversia desde hace más de 150 años. La mayoría de los geólogos creía que se formó hace entre 5 y 6 millones de años. Se publica en Science un nuevo estudio que apunta a que el Gran Cañón ya fue exacavado hace unos 70 millones de años, con una profundidad de unos pocos cientos de metros. La nueva medida se ha obtenido por termocronometría utilizando granos de un mineral llamado apatita (Ca5(PO4)3F). Se han utilizado dos variantes de esta técnica basadas en isótopos de helio, 4He/3He, y de uranio-torio, (U-Th)/He, conduciendo ambas a un resultado similar. La termocronometría permite determinar cuándo el mineral sufrió un enfriamiento observando el contenido de isótopos en sus cristales. El nuevo artículo técnico es R. M. Flowers, K. A. Farley, “Apatite 4He/3He and (U-Th)/He Evidence for an Ancient Grand Canyon,” Science Express, Nov. 19, 2012 [DOI]. Los interesados en conocer más detalles sobre la termocronometría disfrutarán con David L. Shuster, Kenneth A. Farley, “4He/3He thermochronometry,” Earth and Planetary Science Letters 217: 1-17, 2003 [copia pdf gratis].
¿Influye la dinámica solar en el cambio climático? Dos estudios paleoclimáticos publicados en Nature Geoscience indican que durante el Holoceno tardío las tormentas en el Atlántico Norte y el deslizamiento de las placas de hielo variaban con un ciclo de unos 1500 años, independiente de las características del forzamiento solar. El dióxido de carbono es un gas de efecto invernadero, pero ¿cómo afecta a la termosfera? Por sorprendente que parezca, las medidas mediante satélites indican que el dióxido de carbono está enfriando la parte superior de la atmósfera, la termosfera. Tres artículos curiosos en Nature Geoscience que merece la pena reseñar.
“El fin de la civilización maya,” en la sección ¡Eureka! de La Rosa de los Vientos, Onda Cero. Si te apetece oír el podcast, sigue este enlace.
La cultura maya volverá a estar de moda el próximo mes porque se supone que se acerca el final de un ciclo del calendario Maya, el día 13.0.0.0.0 del calendario maya se asocia al 21 de diciembre de 2012, sin embargo, un cálculo más riguroso apunta a una fecha posterior. La fecha del 21 de diciembre se obtuvo a principios del siglo XX en el marco de la llamada cronología estándar GMT, por sus autores Goodman (1905), Martínez (1926) y Thompson (1927), que analizaron un códice maya, el Códice de Dresde; los códices mayas son libros escritos con caracteres jeroglíficos antes de la llegada de Colón a América. El códice de Dresde (llamado así porque está guardado en esta ciudad alemana) explica el calendario maya e incluye un calendario de las conjunciones del planeta Venus. El análisis estadístico de las fechas de estas conjunciones permite ajustar el calendario maya al calendario actual. El análisis estadístico realizado a mano de este calendario dio como fecha final del primer ciclo el 21 de diciembre de 2012. Pero estudios arqueoastronómicos más modernos, realizados a finales del siglo XX utilizando ordenadores, como los realizados Andreas Fuls y Bryan Wells, apuntan a que la fecha del calendario maya 13.0.0.0.0 corresponde a una fecha aún lejana, entre el 21 y el 23 de diciembre del año 2220. Más información en este blog en ”Cómo se calcula que el 21-12-2012 corresponde al día 13.0.0.0.0 del calendario Maya,” 3 nov. 2009.
Los libros de historia afirman que la civilización Maya tuvo su esplendor entre el año 300 y el 900 de nuestra era, pero que sufrió un declive muy rápido, hasta casi desaparecer mucho antes de la llegada de Colón. ¿Qué pudo pasar? Los historiadores no se ponen de acuerdo sobre las razones por las que una civilización tan avanzada como la Maya, que se desarrolló en las selvas tropicales de centroamérica, Guatemala, Belice, Mexico y Honduras entre los siglos IV a X de nuestra era, acabó desapareciendo mucho antes de la llegada de Colón. Algunos creen que la causa fue la superpoblación y la degradación de su sistema agrícola. Otros apuntan a guerras por el poder político. Pero la opinión más firme es que ocurrió un cambio en el clima, una gran sequía en la región que pudo jugar un papel determinante.
Este verano mucha gente se alarmó con la noticia, el 12 de julio de 2012, el 98,6 % de la superficie helada de Groenlandia estaba cubierta por una finísima capa de agua según los datos de 3 satélites. Un hecho tan excepcional que la última vez que ocurrió fue en 1889 y la siguiente anterior hace 7 siglos en el periodo caliente medieval (óptimo climático medieval). La razón era una masa de aire caliente que se había situado encima de Groenlandia. Pocos días más tarde la situación se normalizó. Todos los veranos ocurre este deshelio superficial, pero lo habitual es que no se supere el 50% de la superficie. Sin embargo, en los últimos años se batieron récords consecutivos en 2005, 2007, 2010 y 2012.
Groenlandia es muy grande y aunque la capa de agua es muy fina, podemos preguntarnos qué pasa con todo ese agua. Un estudio in situ publicado en Nature nos ofrece la respuesta. La mayor parte se infiltra en la capa de hielo a través de los poros del hielo y se vuelve a congelar. A partir de las medidas, los autores del estudio estiman que se puede infiltrar una cantidad máxima de unos 322 ± 44 gigatoneladas. El exceso de agua viaja por la superficie del hielo, alcanzando grandes distancias, influyendo a su paso en el flujo local de hielo; la parte más cercana a la costa puede incluso llegar a caer al mar, contribuyendo a la elevación de su nivel. Lo más interesante del estudio es que los poros del hielo se rellenan más rápido de lo que se deshiela la superficie, luego a largo plazo, el deshielo de Groenlandia acabará teniendo un efecto importante sobre el nivel del mar. El artículo técnico es J. Harper, N. Humphrey, W. T. Pfeffer, J. Brown, X. Fettweis, “Greenland ice-sheet contribution to sea-level rise buffered by meltwater storage in firn,” Nature 491: 240–243, 08 November 2012. El artículo que fue noticia este verano es S. V. Nghiem, D. K. Hall, T. L. Mote, M. Tedesco, M. R. Albert, K. Keegan, C. A. Shuman, N. E. DiGirolamo, and G. Neumann, “The extreme melt across the Greenland ice sheet in 2012,” Geophys. Res. Lett. 39: L20502, 2012.
El Evangelio de Mateo, capítulo 27, afirma que día de la crucificción “la tierra tembló y las rocas se partieron.” Si ocurrió un terremoto en el Monte Calvario, un estudio geológico debería ser capaz de predecir el día en que crucificaron a Jesús. Un estudio “geológico” ha concretado que fue el viernes, 3 de abril del año 33 d. C. Obviamente, se trata de una chorrada: la geología no tiene precisión suficiente para fechar con un error de medio día un terremoto ocurrido hace casi 2000 años. De hecho, en el resumen del artículo podemos leer que se ha datado el supuesto terremoto el año 31 ±5 d.C. ¿Cómo es posible entonces que hayan reducido el error de 5 años a solo medio día? Muy fácil, han utilizado los evangelios como fuente documental para fijar la fecha. Pero entonces, ¿para qué han hecho el estudio geológico? Sin usar los evangelios lo único que afirma el estudio es que hubo un terremoto entre los años 26 y 36 d.C. Me enteré de esta chorrada gracias a Javier Armentia, colaborador de Amazings, que a su vez se enteró por Twitter de la noticia de Eddie Wrenn, “Jesus died on Friday, April 3, 33AD, according to an investigation which matches his death to an earthquake,” Daily Mail, 25 May 2012. El artículo “científico” es Jefferson B. Williams, Markus J. Schwab & A. Brauer, “An early first-century earthquake in the Dead Sea,” International Geology Review 54: 1219-1228, 21 May 2012. Esta revista tiene un factor de impacto de 1,288, lo que la coloca en el segundo cuartil en el área de Geología del JCR de Thomson Reuters. ¿Cómo es posible que una revista impactada como International Geology Review publique un estudio bíblico como si fuera un estudio geológico? Quizás porque incluye tres imágenes como la de abajo, o quizás porque el editor de la revista profesa la religión adecuada.
Hay cosas que parecen obvias al lego de tanto oírlas de los expertos. Los volcanes se encuentran en los límites entre las placas tectónicas. Sin embargo, también hay volcanes muy lejos de ellos, justo en medio de las placas. ¿Qué provoca que emane magma en estos lugares? Los expertos no se ponen de acuerdo, pero un nuevo modelo geodinámico publicado hoy en Nature parece que ofrece pistas al respecto. La nueva hipótesis de Liu y Stegman, basada en simulaciones geodinámicas, indica que las regiones de subducción provocan movimientos del magma de la parte superior del manto que conducen a la formación de plumas de magma justo por debajo y en medio de las placas que causan el magmatismo intraplaca. Esta hipótesis no está libre de polémica y requiere su confirmación con estudios más detallados, pero de ser correcta reivindicaría la tectónica de placas como la teoría que explica todo el vulcanismo de la Tierra. Nos lo han contado Cin-Ty A. Lee, Stephen P. Grand, “Earth science: Intraplate volcanism,” Nature 482: 314–315, 16 February 2012, que se hacen eco del artículo técnico de Lijun Liu, Dave R. Stegman, “Origin of Columbia River flood basalt controlled by propagating rupture of the Farallon slab,” Nature 482: 386–389, 16 February 2012.
La tectónica de placas es una teoría geológica que afirma que la litosfera está dividida en placas tectónicas que se desplazan sobre el manto terrestre. Hay tres tipos de límites entre placas: divergentes o constructivos, cuando dos placas se alejan la una de la otra y se crean sistemas de dorsales (oceánicas o rifts); convergentes o destructivos, cuando una placa se desliza por debajo de otra formando zonas de subducción; y transformantes o conservativos, cuando las dos placas se deslizan entre sí formando sistemas de fallas. La tectónica de placas explica la mayoría de las características geológicas de la Tierra, como el vulcanismo en las dorsales oceánicas y en las zonas de subducción. Sin embargo, hay volcanes que se producen lejos de los límites entre placas (magmatismo intraplaca) que son más difíciles de explicar con la tectónica de placas; por ejemplo, la cadena volcánica de Hawai está en el centro de la placa del Pacífico, el campo volcánico de Yellowstone en EE.UU. también.
Muchos geólogos creen que el magmatismo intraplaca es debido a plumas (corrientes ascendentes) del manto que se originan en una capa térmica caliente en la parte más profunda del manto, en la interfaz entre el manto y el núcleo. Estas plumas deberían ser independientes de los movimientos de las placas. Liu y Stegman han realizado simulaciones geodinámicas por ordenador que indican una teoría alternativa: estas plumas estarían relacionadas con el movimiento de las placas y su origen no estaría en la parte más profunda del manto, sino en la parte más próxima a la litosfera. El magmatismo intraplaca podría explicarse gracias al desarrollo de inestabilidades gravitatorias en las regiones de subducción. Por supuesto, el modelo es aún simplificado y hay muchas características que no explica bien (como por ejemplo la migración hacia el este del punto activo en Yellowstone, o el cociente tan alto entre el helio-3 y el helio-4 en el volcanismo de Yellowstone).
En resumen, el nuevo artículo en Nature reabre el debate sobre el origen del magmatismo intraplaca y su conexión con la subducción de placas. De confirmarse esta relación en futuros estudios, la placa tectónica sería una teoría capaz de explicar todo el vulcanismo terrestre en su conjunto.
La evolución futura de los continentes no parece fácil de predecir. Este vídeo (publicado en Nature) muestra su evolución en los próximos 500 millones de años según la teoría de la ortoversión. Según esta teoría aparecerá un supercontinente similar a Pangea, llamado Amasia. No es la única teoría en liza sobre la evolución de los futuros. Hay tres posibles hipótesis que sustentan tres modelos diferentes, la teoría de la introversión, la extroversión y la ortoversión (esta última es el objeto de estudio del nuevo artículo). No entraré en detalles sobre las diferencias entre estas teorías, pero me ha gustado este nuevo vídeo publicado como información suplementaria del artículo de Ross N. Mitchell, Taylor M. Kilian & David A. D. Evans, “Supercontinent cycles and the calculation of absolute palaeolongitude in deep time,” Nature 482: 208-211, 09 February 2012.
No tengo muchos conocimientos de geofísica, así que espero no meter la pata. Los continentes estuvieron unidos en un supercontinente llamado Pangea y en el futuro se cree que se volverán a unir formando un nuevo supercontinente llamado Amasia, porque se fusionarían Asia y Norteamérica. Predecir dónde y cómo se formará la futura Amasia no es fácil y requiere asumir ciertas hipótesis, las más importantes sustentan tres posibles teorías. La teoría de la introversión se basa en la hipótesis de que un océano relativamente joven se cierra y se forma un supercontinente donde se encontraba el anterior (Amasia se formaría donde estuvo Pangea). La teoría de la extroversión se basa en que el cierre de un oceáno relativamente antiguo, con lo que se forma un supercontinente en el hemisferio opuesto al anterior (Amasia se formaría en las antípodas de Pangea). Y la teoría de la ortoversión (ilustrada en el vídeo que abre esta entrada) se forma un supercontinente por el hundimiento de una zona de subducción ortogonal al centroide del supercontinente precedente (Pangea). Los autores del artículo de Nature ofrecen diferentes razones por las que consideran que esta última teoría es la más realista. Supongo que los expertos a favor de las otras dos teorías tendrán buenos argumentos para estar en contra, pero yo no tengo conocimientos suficientes para discutirlas en detalle.
Un equipo de sismólogos ha descubierto diamantes que se han formado con carbono de la superficie de la Tierra y que han viajado a las capas más profundas del manto terrestre para retornar a la superficie como kimberlitas gracias a chimeneas de magma. Un ciclo del carbono en el interior de la Tierra gracias al movimiento convectivo del manto terrestre. Michael Walter, investigador principal del estudio, afirma que han encontrado pequeñas inclusiones minerales (entre 20 y 30 micrómetros de diámetro) en diamantes recogidos en Brasil cuya composición química indica que se formaron en las capas más interiores del manto terrestre. Más aún, el análisis de la composición isotópica del carbono de estos diamantes indica que se formaron en la superficie de la Tierra, viajaron a sus entrañas (entre 660 y 2900 km de profundidad) y retornaron a la superficie. Aunque no es la primera vez que se descubren inclusiones del manto inferior en los diamantes, todas las anteriores tenían composiciones que las vincula con la roca llamada peridotita (la más común en todo el manto terrestre, pero poco común en sus partes más internas). Las nuevas inclusiones en los diamantes permitirán estudiar la dinámica del manto terrestre con nuevos ojos, lo que siempre promete sorpresas. El artículo técnico es M. J. Walter et al., “Deep Mantle Cycling of Oceanic Crust: Evidence from Diamonds and their Mineral Inclusions,” Science Express, September 15 2011.
En 1490 todo el mundo sabía que la Tierra era esférica (aunque se debatía sobre la existencia de habitantes en las antípodas). La discusión entre los eruditos de los Reyes Católicos y Cristóbal Colón era sobre su diámetro. Colón creía que el diámetro de la Tierra calculado por Posidonio (cerca del año 100 A.C.) era más exacto que el de Eratóstenes (cerca del año 236 A.C.). Sin embargo, como bien sabían los eruditos, y todos sabemos hoy en día, Colón estaba equivocado. Aún así, Colón murió creyendo que había llegado al este de la India y afirma en una de sus últimas cartas que la Tierra tenía forma de pera, siendo la circunferencia de la Tierra menor en los polos (medida de Posidonio) que en el ecuador (medida de Eratóstenes). Por eso el camino hacia la India bordeando África por el sur, pasando desde el hemisferio norte hasta el hemisferio sur para retornar al hemisferio norte, era más largo que cruzando el Atlántico (su proeza). Colón murió creyendo que el mundo tenía forma de pera o de teta con un pezón. A la derecha tenéis un dibujo de la idea extraído del libro de William Fairfield Warren, “Paradise found, the cradle of the human race at the North Pole,” Houghton, Mifflin edition, 1885. La selección de cartas de Cristóbal Colón se publicó como Christopher Columbus (Cristoforo Colombo), “Select letters of Christopher Columbus, with other original documents relating to his four voyages to the New world,” tr. and ed. by R.H. Major, Printed for the Hakluyt Society, 1870. He encontrado una traducción al español del pasaje de la “pera” de Alejandro Martínez, “La Tierra es una pera. Mis cartas (primera parte),” El blog de Cristóbal Colón (Diario de un almirante cuyo cuerpo no se sabe dónde está enterrado y que ahora navega por Internet), 12 Feb. 2006, os copio el pasaje:
“Mas ahora he visto tanta deformidad que, puesto a pensar en ello, hallo que el mundo no es redondo en la forma que han descrito, sino que tiene forma de una pera que fuese muy redonda, salvo allí donde tiene el pezón o punto más alto; o como una pelota redonda que tuviere puesta en ella como una teta de mujer, en cuya parte es más alta la tierra y más próxima al cielo. Es en esta región, debajo de la línea equinoccial, en el Mar Océano, el fin del Oriente, donde acaban todas las tierras e islas…” [el resto aquí].
Eratóstenes y Posidonio calcularon el diámetro de la Tierra en estadios y el valor exacto de un estadio cambió de una época a otra, por lo que las estimaciones de sus medidas han de ser tomadas con ciertas dudas. Aún así, en la wikipedia podemos leer los valores que obtuvieron (como no soy historiador no sé si la wikipedia es una fuente fiable al respecto). Eratóstenes calculó en el s. III A.C. que la circunferencia de la Tierra eran 252.000 estadios, unos 39.614 km (un error menor del 1%). Posidonio revisó este valor a la baja cerca del año 100 A.C. calculando un valor de 180.000 estadios, unos 28.296 km (un error casi del 30%). Cristóbal Colón creía en 1490 que el valor de Posidonio era más correcto que el de Eratóstenes, el valor comúnmente aceptado por todos los eruditos de la época. Algunas fuentes afirman que Colón sabía que los vikingos habían llegado a las Indias cruzando el Atlántico Norte. Como Colón sabía que los vikingos (que no llevaban cuernos en sus cascos, salvo en las películas, pues se trata de un mito) eran bueno navegantes, pero no tan buenos como para llegar tan lejos, era natural que pensara que la Tierra estaba muy achatada por los polos y el diámetro de Posidonio le pareciera más razonable que el de Eratóstenes. Digo yo.
¿Por qué hablar de estos temas ahora? Siempre hay una razón detrás de mis entradas. El fin de semana pasado acabé de leer a Donal O’Shea, “The Poincaré Conjecture. In Search of the Shape of the Universe,” Walker & Company, 2007. En el capítulo 2, “The shape of the Earth” menciona a Cristobal Colón, la forma de la Tierra en la Antigüedad y su error en la estimación de su diámetro. O’Shea empieza recordando que Washington Irving fue el creador del mito de que en época de Colón se pensara que la Tierra era plana, todo el mundo sabía en la Edad Media que la Tierra era esférica. O’Shea también menciona la carta de Colón en la que afirma creer que la Tierra tiene forma de pera. Yo creo que Colón tenía en la mente que la Tierra estaba achatada por los polos. Hoy sabemos que está achatada por los polos, pero muy poquito (según la wiki, la circunferencia ecuatorial es de 40.075.014 m y la polar de 40.007.832 m).
Y una cosa me lleva a otra y acabo con el astrofísico Jesús Maíz, quien ofreció una conferencia en el Instituto Astrofísico de Andalucía titulada “La Tierra plana y otros mitos de la astronomía antigua y medieval,” IAA-CSIC, 26 Nov. 2009, en la que afirmaba, como es bien conocido, que el mito de que en época de Cristóbal Colón se pensaba que la Tierra era plana es solo eso, un mito que nació en la calenturienta mente de Washington Irving, que noveló la vida y obra de Colón. La mención a Irving puede que la haya sacado del libro de O’Shea, o quizás ambos la han leído de una fuente común. Gracias a Google Books podemos leer de forma completa la obra “The life and voyages of Christopher Columbus,” de Washington Irving, Stereotyped by James Conner, for G. & C. Carvill, 1829. Más de la mitad de esta novela es pura ficción.
Buscando en Menéame descubro que la noticia de la charla de Jesús llegó a la web de la mano de Guillermo Pedrosa Calvache, ”El mito de la Tierra plana y el verdadero caso de Cristobal Colón,” Andalucía Investiga, 27 Nov. 2009, y fue recopilada por Kanijo para Ciencia Kanija, 29 Nov. 2009. Como nos recuerda Jesús, ya en la Grecia Antigua, siglos antes de Cristo, se sabía que la Tierra era esférica (basta ver la sombra de la Tierra en un eclipse lunar o navegar por el mar Mediterráneo desde Europa a África). En la Edad Media, filósofos, científicos y teólogos sabían que la Tierra no era plana. Aristóteles, Ptolomeo, San Agustín, San Isidoro de Sevilla o Santo Tomás ya habían afirmado que nuestro planeta era una esfera. La Iglesia Católica que adoptó la visión de Aristóteles como indiscutible era consciente de la redondez de la Tierra. Todas las personas cultas en la Edad Media lo sabían y afirmaban en sus obras (salvo algunos magufos de la época como Lactancio y Cosmas Indicopleustes).
No he encontrado en la web las transparencias utilizadas por Jesús Maíz en su charla (si algún lector de este blog le conoce puede preguntarle si quiere hacer el favor de colgarlas en la web, muchos se lo agradeceríamos).
Por cierto, que pinta el “huevo de Colón” en el título de esta entrada. ¡¿Y por qué no?! Sobre el huevo de Colón en la wiki. Tito Eliatron de la Universidad de Sevilla meneó la noticia sobre Jesús Maíz y en Sevilla resulta que está Colón dentro de un huevo. “En el año 1995 Rusia donó a España una enorme escultura de bronce del prestigioso artista georgiano Zurab Tsereteli (1934-hoy). La obra se titula EL NACIMIENTO DE UN NUEVO HOMBRE y, como se puede ver, consiste en un huevo enorme con cruces y cuerdas propias de una carabela que alberga dentro a Cristóbal Colón, sosteniendo este una carta de navegación en relieve.” Más información aquí (fuente de la foto). Si pasas por Sevilla no dudes en visitar el huevo de Colón.
Por cierto, quería titular esta entrada “El huevo de Colón, la teta y el pezón,” pero me he contenido…
Dolimas kársticas "acojonantes" en Ciudad de Guatemala.
La formación de dolinas kársticas como la que recientemente se ha formado en Guatemala tras el paso de la tormenta tropical Agatha es mucho más habitual de lo que le puede parecer a la mayoría (aunque tan espectaculares como éstas y dentro de un casco urbano son menos habituales). Incluso en España se han formado este tipo de dolinas muchas veces. Abajo tenéis cuatro ejemplos: (A) un edificio seriamente dañado el 23 de abril de 1997 en la pequeña ciudad de Ripon, North Yorkshire, Inglaterra; (B) hundimiento de una carretera de servicio en junio de 1996 entre la carretera nacional N-232 y la fábrica de Pikolín, a las afueras de Zaragoza; (C) pequeña dolina cercana a la carretera nacional N-232 durante la noche del 23 de mayo de 2006; y (D) dolina formada en 1954 en la Llanura de La Violada, Hoya de Huesca (cuenca del río Ebro). Fotos extraídas del artículo F. Gutiérrez, A.H. Cooper, K.S. Johnson, “Identification, prediction and mitigation of sinkhole hazards in evaporite karst areas,” Environmental Geology 53: 1007-1022, 2008 [versión gratuita].
Hay muchos más ejemplos. A la izquierda tenéis dos ejemplos españoles más: (C) Dolina generada de forma catastrófica en el interior de una nave del Polígono Europa (Zaragoza), y (B) Colapso formando en noviembre de 2003 en Calatayud. El edificio adyacente tuvo que ser demolido. Hay más ejemplos en Francisco Gutiérrez (Universidad de Zaragoza), “El riesgo de dolinas de subsidencia en terrenos evaporíticos. Investigación y mitigación” y en Soriano María Asunción et al., “Problemas causados por el karst aluvial en el centro de la cuenca del Ebro (España).” Como Francisco Gutiérrez lo cuenta infinitamente mejor que yo, me permito copiar algunos párrafos (resumidos) de su artículo, que desde aquí recomiendo a todos los interesados en más información científica sobre estas interesantes formaciones geofísicas.
“La karstificación de sedimentos solubles mediante flujos de agua subterránea puede provocar la deformación gravitacional de los materiales suprayacentes y el hundimiento de la superficie del terreno. Estos fenómenos de subsidencia por disolución generalmente se manifiestan en superficie mediante depresiones cerradas denominadas dolinas de subsidencia (sinkholes). El hundimiento que experimenta el terreno durante el desarrollo de las dolinas de subsidencia puede provocar daños graves en distintos tipos de estructuras (obras lineales, edificios, presas, centrales nucleares, almacenes de residuos), e incluso poner en peligro la vida de las personas cuando éstas se generan de forma catastrófica. Debido a la gran extensión que ocupan los sedimentos evaporíticos en buena parte de los continentes, el riesgo de subsidencia por disolución de estos materiales afecta a un gran número de regiones del Planeta.”
“España es posiblemente el país europeo en el que el riesgo de subsidencia por disolución de evaporitas tiene una mayor repercusión socio-económica. Estos fenómenos se deben fundamentalmente a la karstificación de formaciones triásicas y terciarias, cuyo afloramiento ocupa una extensión de unos 35 000 km², aproximadamente un 7% de la superficie del país. Los mayores problemas se registran en zonas donde los sedimentos evaporíticos terciarios se encuentran cubiertos por depósitos cuaternarios de origen aluvial (karst aluvial). Esta situación se produce en determinados tramos de los valles excavados por algunos de los principales sistemas fluviales como los ríos Ebro y Tajo. Estas zonas, en las que la subsidencia es más activa, son frecuentemente las áreas que presentan una mayor ocupación humana, produciéndose situaciones de alto riesgo.”
Un vídeo de youtube publicado hace sólo dos semanas que se ha visto más de 820 000 veces. Un vídeo de youtube citado en Microsiervos: “Explosión sónica «visible» de un cohete Atlas V,” 19 feb. 2010, donde Nacho afirma “Espectacular vídeo del despegue de un cohete Atlas V el pasado 11 de febrero en el que son visibles las ondas producidas por la la explosión sónica que se produce cuando éste supera la velocidad del sonido (Mach 1, ~ 1.235 km/h) durante su ascensión.” Un vídeo citado en blogs por doquier, por ejemplo, ”Visualizando una onda de choque supersónica,” Teleobjetivo, 21 de Febrero de 2010. Un vídeo que no llegó a portada en Menéame. ¿Por qué? Hay dos opciones, o en Menéame son muy listos, o el meneador que meneó el vídeo (a través de Microsiervos) tuvo mala suerte.
No sé si seré capaz de explicar de forma convincente la física del fenómeno. Aún así, me apetece dedicarle una entrada en este blog. Antes de nada, permitidme recordaros el vídeo (en versión a cámara lenta) y enlaces a otros vídeos que también muestran el fenómeno.
La mayoría de las personas, tras ver estos vídeos, piensan que están viendo la onda de choque que se produce cuando el cohete Atlas V atraviesa la barrera del sonido de la misma forma que se ve en la explosión de este vídeo de Mythbusters (aquí otro ejemplo). La animación gráfica de explosiones requiere este tipo de efectos, sino nos resulta engañosa (sobre todo a los físicos que nos fijamos en dichos fenómenos) como nos cuenta Ashkar en su blog “Curiosidad Científica.”
¿Realmente las ondas que se ven en el vídeo son producidas por la onda de choque (explosión sónica) del cohete Atlas V? Si es así deben aparecer más o menos el cohete alcanza la velocidad del sonido. El vídeo muestra lo que parece un cono de vapor (singularidad de Prandtl–Glauert) en el cohete justo cuando empiezan a observarse las ondas, cono de vapor que desaparece más adelante en el vídeo (la verdad es que yo no lo veo demasiado claro). Este tipo de cono aparece en muchos aviones supersónicos justo antes de que se atraviese la barrera del sonido. Por otro lado, un cálculo por “la cuenta de la vieja” que parte del plan de vuelo del Atlas V (pág. 19) parece que ratifica que el cohete ha alcanzado la velocidad del sonido. La aceleración vertical media esperada a los 75 s. del lanzamiento es de 1’4 g, luego el vehículo se mueve con una aceleración vertical de 0’4 g que nos da una velocidad de 0’4 g*75 = 294 m/s, que casi coincide con el valor de la velocidad del sonido a 11 km de altura, unos 295 m/s (unos 1062 km/h). Por cierto, el valor que Nacho de Microsiervos indica, 1235 km/h, es incorrecto ya que es la velocidad del sonido a ras de suelo.
Buscando en la web uno encuentra múltiples discusiones de este vídeo, en la mayoría siempre hay alguien que se pregunta ¿por qué las ondas que se ven en el vídeo no son visibles cuando un avión militar rompe la barrera del sonido? Hay infinidad de fotos y vídeos y ninguno muestra ondas esféricas como las que vemos en el vídeo del cohete Atlas V. ¿Tiene algo que ver el parhelio (“sun dog” en inglés)? Muchos creen que es la clave ya que tras el paso del cohete este fenómeno óptico parece disminuir hasta desaparecer.
El parhelio es un fenómeno óptico muy curioso debido a la refracción de la luz del Sol en una capa de cristales que se encuentren alineados verticalmente. El parhelio es parecido a un halo con ciertas tonalidades de tipo arcoiris y con un tamaño angular de unos 22º. La desaparición del parhelio parece indicar que el cohete o la onda de choque atraviesan una capa de cristales alineados verticalmente rompiendo su alineamento y destruyendo este efecto óptico. Este tipo de capas de cristales son típicas en la parte superior (llamada yunque) de nubes como los cirros y los cumulonimbos (las nubes que aparecen en el vídeo son cirros). No sé si lo sabéis pero la cobertura nubosa suele acabar justo en el inicio de la tropopausa y el yunque, la parte superior de las nubes altas, indica su posición aproximada. La tropopausa es la zona de la atmósfera donde se produce la transición entre la troposfera (la parte baja de la atmósfera, donde vivimos nosotros) y la estratosfera. Esta capa se encuentra entre 10 y 11 km de altura y es una capa de la atmósfera en la que la temperatura se mantiene constante (después de decrecer linealmente con la altura en la troposfera y antes de comenzar nuevamente a aumentar en la estratosfera).
Las ondas que se ven en el vídeo tienen toda la pinta de ser debidas al cambio de índice de refracción de la atmósfera debido a un cambio de temperatura y/o densidad del aire (el fenómeno que estamos acostumbrados a ver en los espejismos, por ejemplo, en la capa de aire caliente en el asfalto en una carretera). El aire caliente es menos denso y por tanto tiene un índice de refracción menor. Para un gas, el índice de refracción (n) es proporcional a la densidad del gas (ρ), lo que se expresa por la relación (o ley) de Dale-Gladestone, que se escribe n–1 = K ρ = K p/(RT), donde donde K depende del gas, p es la presión, T la temperatura y R la constante de los gases. Una variación de la presión o de la temperatura conduce a un cambio en el índice de refracción dado por Δn = K Δρ = (K/R) (Δp/T – p ΔT/T²).
¿Puede provocar una onda de choque ondas como las que vemos en el vídeo? No, no lo creo. Las variaciones de la densidad provocadas por una onda de choque tienen una forma general en onda N (ver figura de la izquierda) con cierta “estructura” cerca del objeto que se propaga a velocidad supersónica que depende de su forma. No muy lejos de este objeto (“far field“) la forma en N es dominante. Sin embargo en el vídeo vemos ondas dispersivas muy similares a las que observamos cuando tiramos una piedra en un estanque de agua. No pueden ser resultado de la onda de choque y por tanto no nos permiten “ver” cómo el cohete atraviesa la barrera del sonido.
En mi opinión lo que vemos son ondas internas, también llamadas ondas gravitatorias, ondas producidas en la interfase entre dos fluidos con densidad (o temperatura) diferentes. Estas ondas internas son provocadas porque el cohete, o quizás la onda de choque que acaba de producirse cuando rompe la barrera del sonido, atraviesa una capa delgada en la que la temperatura cambia bruscamente (quizás el límite inferior de la tropopausa) produciendo ondas de temperatura que se propagan por la capa delgada (como si vibrara dicha capa como la superficie del agua del estanque). Hay que recordar que la tropopausa es una región en la que la temperatura es muy uniforme, es como el agua en la superficie de un estanque tranquilo. La penetración del cono sónico en esta región provoca un foco de ondas de temperatura que se propagan en la frontera de la tropopausa. Son ondas dispersivas y disipativas, como las de la superficie de un estanque. En mi opinión, lo que vemos en el vídeo es el resultado del cambio de índice de refracción debido a la propagación de ondas internas del campo de temperatura en la tropopausa. ¿Por qué desaparece el parahelio? Seguramente orque la onda de choque reorienta los cristales de tal forma que dejan de estar alineados. Los cristales tienen mucha inercia por lo que creo que no están directamente involucrados en la generación de la ondas que vemos en el vídeo.
¿Es necesario que el cohete supere la barrera del sonido para que se produzcan las ondas que vemos? Obviamente, cuando más grande es la piedra que cae en el estanque más amplitud inicial tienen las ondas que se observan en la superficie del agua. Yo creo que la onda de choque se produce antes de atravesar la tropopausa y que es el cono supersónico el que inicia la generación de las ondas (la onda en N de gran intensidad que define el borde del cono). Es decir, no creo que se vean las ondas del cono supersónico en el vídeo, sino ondas generadas por el choque entre este cono supersónico con una capa de atmósfera en la que la temperatura cambia de forma rápida, capa en la que se encuentran los cristales orientados verticalmente que son responsables del parhelio visible en el vídeo.
Los físicos lectores de este blog pueden comentar qué les parece mi explicación y si les convence.
PS (3 marzo 2010): En el comentario #3, Leo Cano nos propone una explicación alternativa. Sus supuestos son (1) ”el cohete va a la velocidad del sonido,” bueno, o próxima, yo creo que ligeramente por encima, y (2) “se producen unas ondas que tienen forma esférica (eso es lo que se ve),” en realidad lo que se ve es la proyección, ondas circulares que no tienen por qué ser esféricas. “POSIBILIDAD 1: ¿Van esas ondas por “encima del cohete”? Imposible.” Estoy de acuerdo. “POSIBILIDAD 2: ¿Están esas ondas a la misma altura que el cohete, como si fuera la superficie de un estanque?” Esto es lo que yo creo y propongo en la entrada. “POSIBILIDAD 3: “vulgar” onda de presión esférica (o cónica-del-tipo-barrera-del-sonido-por-debajo-del-cohete) de lo más corriente y moliente, producida desde la punta del cohete cuando supera la barrera del sonido.” LEO CREE QUE la respuesta correcta es la tercera. ”Podría ser el mismo frente de tipo cónico por debajo del cohete que vemos en las ilustraciones de superación de la barrera del sonido típicas …“
En mi opinión, la posibilidad 3 no es correcta (y por eso escribí esta entrada en mi blog). Veamos cuál es mi argumento (por supuesto, no pretendo convencer a nadie, sólo ofrezco mi opinión al respecto en espera de opiniones como la de Leo que me lleven la contra). Veamos la siguiente imagen… extraída de uno de los vídeos.
El parhelio muestra el color rojo a la derecha, blancos en medio y azules a la izquierda, luego el Sol se encuentra a unos 22º desde la posición del observador a la derecha del vídeo. En realidad los colores rojos están a unos 21,54º y los colores azules a unos 22,37º, por lo que el parhelio subtiende un ángulo aparente de 1º. En los vídeos parece que las ondas se propagan desde el cohete y superan la posición de los colores rojos del parhelio. Viendo la figura y estimando por lo bajo, las ondas que se propagan desde el cohete subtienden un ángulo de unos 4º (de hecho a mí me parece que incluso llegan hasta 6º). El cono sónico de un cohete tiene un ángulo que depende del número de Mach del cohete. La siguiente figura la ilustra.
El coeficiente adiabático (specific heat ratio) para el aire (γ) en la atmósfera (en unidades del S.I.) es de 1’400 a temperatura ambiente y unos 1’401 a la temperatura de la tropopausa. Para alcanzar un ángulo de unos 4º se requiere un número de Mach de M=1’20 (como mínimo ya que el ángulo seguramente es mayor). Un 20% más de la velocidad del sonido que según el plan de vuelo del Atlas V se alcanzaría a unos 90 segundos (que no coincide con el momento según el vídeo en el que aparecen las ondas que se ven). De hecho, a los 92 segundos se produce la separación de la primera etapa del cohete, lo que claramente no se en el vídeo famoso. Por todo ello creo que la POSIBILIDAD 3 de Leo Cano se puede descartar. No sé qué opinaréis vosotros.
El centro de la Tierra es una de las regiones más desconocidas para la ciencia, que sólo podemos explorar gracias a experimentos de laboratorio y estudios sismográficos. A unos 2900 km. de profundidad, la frontera entre el manto y el núcleo se denomina región D” (D doble prima) donde se cree que se generan las plumas de magma en el manto. En esta región se produce un gran cambio térmico, el núcleo está 1000 K más caliente que el manto, junto a un gran cambio en densidad y composición química. Catalli et al. del MIT presentan en Nature un estudio en laboratorio del comportamiento de la materia a las temperaturas y presiones en la región D” demostrando que podría tener entre 400 y 600 km. de grosor, aunque los estudios sismográficos sólo han detectado un grosor de 30 km. Un nuevo enigma sobre esta región. Para los autores, las medidas sismográficas pueden ser más imprecisas de lo que se creía. Se cree que en la región D” el material se encuentra en un estado de transición entre la perovskita MgSiO3, el mineral más abundante en la Tierra, y cierta forma de post-perovskita. Los autores han estudiado esta transición utilizando presiones de 1 Mbar (un millón de veces la presión atmosférica) y temperaturas de 2000 K. A estas temperaturas el uso de celdas de presión con diamante presenta grandes dificultades que los autores han superado con gran alarde técnico. Serán necesarios estudios computacionales que incorporen los resultados del nuevo estudio (la pendiente de Clapeyron obtenida experimentalmente) con objeto de poder entender por qué los estudios sismográficos indican que la región D” es mucho más grueso de lo que se creía. Así avanza la ciencia, a base de misterios y enigmas por resolver. Nos lo cuenta Kanani K. M. Lee, “Earth science: The enigma of D′′,” News and Views, Nature 462: 731-732, 10 December 2009, quien se hace eco del artículo técnico Krystle Catalli, Sang-Heon Shim, Vitali Prakapenka, “Thickness and Clapeyron slope of the post-perovskite boundary,” Nature 462: 782-785, 10 December 2009.
El campo magnético de la Tierra está generado por los movimientos del fluido del manto fuera de su núcleo gracias a un efecto parecido al de una dinamo de un coche. Para verificar esta hipótesis razonable es necesario realizar simulaciones por ordenador de la magnetohidrodinámica del manto y las condiciones de contorno utilizadas en dichas simulaciones son muy importantes. Las simulaciones que suponen que el núcleo está a una temperatura fija (condiciones de Dirichlet) producen un campo magnético mucho más débil que el observado. Nuevas simulaciones han demostrado que un flujo de calor constante (condiciones de Neumann) resultan en un campo magnético dipolar que permite explicar el campo magnético terrestre mediante ordenador y estudiar su dinámica. El vídeo que abre esta entrada ilustra utilizando una proyección de Mollweide uno de los resultados obtenidos mostrando claramente la bipolaridad del campo magnético (radial) y su dinámica durante unos 7.000 años [más vídeos aquí]. La imagen de abajo muestra cortes transversales del manto también obtenidos con estas simulaciones por ordenador. Un gran trabajo de Ataru Sakuraba y Paul H. Roberts, publicado en “Generation of a strong magnetic field using uniform heat flux at the surface of the core,” Nature Geoscience 2: 802-805, 2009, que nos comenta en detalle Bruce Buffett, “Geodynamo: A matter of boundaries,” Nature Geoscience 2: 741-742, 2009.
Los aficionados a este blog ya sabéis mi gusto personal por la física computacional y por la belleza de las figuras y gráficas que ilustran los resultados de las simulaciones. La de abajo es una buena muestra de ello. Muestra tanto las componentes del campo de velocidades como del campo magnético, vista desde el norte, a una altura un décimo del radio terrestre. En concreto las componentes radiales de la velocidad (c,d), azimutales (e,f) y las componentes azimutales del campo magnético (g,h).
Por cierto, los interesados en el geomagnetismo terrestre disfrutarán con la mayoría de las conferencias del KITP Program: Dynamo Theory (May 5 – July 18, 2008), coordinador por Chris Jones, Daniel Lathrop, Steven Tobias, y Ellen Zweibel. Incluyen transparencias, audio y vídeo de la mayoría de conferencias y discusiones. Que además sirven para practicar el inglés científico.
“Viaje al centro de la Tierra” de Julio Verne nos propone en 1864 un viaje imaginario que hoy sabemos que es imposible. Sin embargo, perforar la corteza de la Tierra hasta alcanzar el manto tiene mucho interés científico. No es fácil ni barato. El costo de perforar cada kilómetro crece de forma exponencial conforme penetramos en los secretos de nuestra madre Tierra. Lo más fácil es perforar la corteza oceánica, mucho más delgada, hasta alcanzar la frontera corteza-manto, la discontinuidad de Mohorovii o Moho. Los científicos no pierden la esperanza de lograrlo. Hay una iniciativa científica, la Misión Moho, que ha sido discutida en un workshop específico, llamado Integrated Ocean Drilling Programme (IODP), el pasado septiembre en Bremen, Alemania. El agujero que se perforará gracias a la Misión Moho es conocido como “MoHole” no sólo requiere nuevas tecnologías de perforación sino también de extracción de los sedimentos obtenidos en el fondo del océano hasta la superficie. El hombre por naturaleza desea atravesar todas las fronteras que encuentra a su paso y el viaje al centro de la Tierra es una de ellas. Nos lo cuentan en “An epic voyage in the making,” Editorial, Nature Geoscience 2: 733, Nov. 2009 y nos lo contó Quirin Schiermeier, “Experts draw up ocean-drilling wish list. Researchers seek deeper understanding of crust formation,” News, Nature 461: 578-579, Published online 29 September 2009. También merece la pena leer a B. Ildefonse, N. Abe, P.B. Kelemen, H. Kumagai, D.A.H. Teagle, D.S. Wilson, and Mission Moho Proponents, “Mission Moho: Rationale for drilling deep through the ocean crust into the upper mantle,” Geophysical Research Abstracts 11: EGU2009-4485, 2009.
En la década de los 1960 ya se intentó atravesar la corteza oceánica, pero sólo se penetraron 200 m de profundidad. En los 1980 se logró una profundidad de 2.111 metros bajo el fondo marino en Nicaragua y en 2005 unos 1.500 metros en la placa tectónica de Cocos en el Oceáno Pacífico cerca de Centroamérica. Los datos científicos que se recabaron en dichas misiones a partir de los sedimentos extraídos fueron muy útiles para conocer mejor las propiedades de la corteza oceánica y del manto terrestre. Sin embargo, el objetivo es alcanzar una profunidad de más de 2 km. debajo de más de 7 km. de aguas marinas hasta alcanzar la discontinuidad Moho. Lograrlo no es nada fácil. La Misión Moho está todavía en su infancia. No sólo se necesita un presupuesto enorme (aunque mucho menor que el presupuesto espacial de la NASA) sino también grandes avances tecnológicos que la hagan posible. Ya hay tecnología de perforación capaz de perforar hasta varios kilómetros de profundidad, pero en tierra. Las terribles presiones en el fondo oceánico impide utilizar dicha tecnología para el proyecto Moho. Los investigadores creen que necesitan unos 200 millones de dólares al año durante al menos una década (de 2013 a 2023) y están tratando de que Japón, Europa y EE.UU. se los suministren. Actualmente, Japón es el país que lidera el proyecto Moho.
¿Por qué hablar de estos temas ahora? Siempre hay una razón detrás de mis entradas. El fin de semana pasado acabé de leer a Donal O’Shea, “
