Disipación térmica asimétrica como causa de la anomalía de las sondas Pioneer

Parece ayer, pero fue hace casi más de un año y medio. Hay una explicación térmica a la anomalía de las sondas Pioneer, una disipación térmica asimétrica debido a la geometría de la propia sonda. Podéis recordarlo en «El sistema solar como un gran laboratorio para la gravedad (o ideas sobre la anomalía de las sondas Pioneer),» 28 Enero 2008 y en «Descubrimientos recientes sobre la anomalía de las sondas Pioneer (Earth flyby anomaly en 5 sondas espaciales),» 5 Marzo 2008. Sin embargo, antes del verano nos hicimos eco de un artículo que descartaba esta solución en «Los últimos datos sobre la anomalía de las sondas Pioneer apuntan a la materia oscura y a nueva física más allá del Modelo Estándar,» 3 Julio 2009. Un nuevo artículo reabre la posibilidad de una explicación térmica a la anomalía de las sonda Pioneer (y de otras sondas), en concreto, de los alemanes Benny Rievers, Claus Lämmerzahl, Meike List, Stefanie Bremer, Hansjörg Dittus, «New powerful thermal modelling for high-precision gravity missions with application to Pioneer 10/11,» New Journal of Physics 11: 113032, November 2009. 

Os recuerdo a los despistados. Las medidas por efecto Doppler de la aceleración de las sondas Pioneer 10 y 11 durante 25 años muestran una deceleración que no se puede explicar con la ley de la gravedad de Newton (o Einstein) aplicada a la trayectoria de estas sondas si se consideran todos los planetas del Sistema Solar. Varios grupos de investigadores han confirmado dicha anomalía independientemente. La hipótesis más conservadora es que el calor que genera el sistema de propulsión de la sonda se disipa (radia) de forma asimétrica debido a la propia geometría de la sonda, de tal manera que se produce una fuerza (aceleración) efectiva. El análisis mediante elementos finitos de esta fuerza es complicado y ha sido emprendido por varios autores. El nuevo artículo no resuelve el asunto definitivamente, pero introduce un algoritmo de trazado de rayos para la resolución del problema del cálculo de la radiación térmica emitida por una sonda a partir de su geometría y afirma que para las sondas Pioneer 10 y 11 se obtiene una fuerza efectiva finita no despreciable. Los autores utilizan una geometría simplificada para estas sondas e indican que en un futuro utilizarán una geometría más detallada para resolver definitivamente la cuestión. Habrá que estar al tanto.

La causa de las avalanchas de nieve desvelada en Science (o el «efecto mariposa» de la propagación de antifisuras)

Cortadura de más de 2 metros tras la gran avalancha observada en el Glaciar de Vallonnet, Francia, 4 abril 2007. La avalancha se produjo espontáneamente cuando mientras estaba lloviendo.

Las avalanchas de nieve son causadas cuando los cambios del tiempo (meteorológico) provocan que una bajada en la densidad de una capa de nieve o de hielo que se encuentra entre la nieve del fondo y la de la superficie, con lo que la capa de nieve de la superficie colapsa con un sonoro ruido o empieza a deslizar. ¿Qué determina la elección entre estos dos comportamientos? La mayoría de los investigadores opinaba que el ángulo de la pendiente es el determinante del comportamiento observado. Sin embargo, parece que no es así, como han demostrado J. Heierli, P. Gumbsch, M. Zaiser, «Anticrack Nucleation as Triggering Mechanism for Snow Slab Avalanches,» Science, Vol. 321. no. 5886, pp. 240-243, 11 July 2008 , quienes han analizado el proceso de fractura de la nieve usando un nuevo concepto, las antifisuras o anticracks, lugares donde el material se desplaza en la dirección opuesta a la normal para la propagación de una fisura (crack), lo que provoca una pérdida de cohesión y una reducción de la densidad de la nieve. De esta manera, fracturas lejanas pueden ser los causantes de una avalancha, de la misma forma que el aleteo de una mariposa puede provocar un huracán en el otro extremo del mundo (el famoso «efecto mariposa»).

Los investigadores han desarrollado un modelo matemático para la propagación de fracturas basado en minimizar un funcional de energía que conduce a ecuaciones de Euler-Lagrange diferentes en la región de la fisura que en el resto de la nieve, ecuaciones que han resuelto utilizando el método de elementos finitos. La nieve se modelo como un material granular formado por tres capas diferenciadas, la capa central es rígida pero puede colapsar y se encuentra entre dos capas, la inferior estática y la superior que puede deslizar (la avalancha). En cada capa suponen que los parámetros del material (densida, módulo de Young, modulo de cizalla y cociente de Poisson) son constantes pero diferentes entre una capa y otra. En las regiones de contacto entre capas consideran fuerzas de fricción de tipo Coulomb. La información suplementaria al artículo es bastante clara en la presentación del modelo matemático (y es de acceso gratuito incluso si no tienes suscripción).

El modelo predice que el proceso de avalancha ocurre en dos etapas. En la primera, se forma el núcleo de la antifisura (anticrack), por una sobrecarga de la nieve o por precipitación, cuya longitud crece hasta alcanzar una longitud crítica. Este crecimiento de la antifisura es debido tanto a fuerzas perpendiculares y normales a la pendiente. En la segunda etapa, las fuerzas de contacto entre las capas de nieve en consideración modifican las condiciones de contorno, generando una inestabilidad que provoca la propagación de la fisura. Dependiendo de la fricción se producirá una avalancha (si es pequeña) o sólo se producirá un «aviso» (una avalancha fallida) que generará un sonoro ruido. Este modelo en dos etapas explica varios fenómenos curiosos. Por ejemplo, por qué ciertas fracturas de la nieve no provocan avalanchas (la antifisura se propaga sin generar una avalancha), o por qué esquiadores que se mueven lejos, en zonas planas o con poca pendiente, pueden ser la «mariposa» cuyo aleteo provoca la avalancha (el esquiador genera una antifisura que se propaga sin avalancha hasta alcanzar, lejos, un terreno suficientemente inclinado como para producir la avalancha).

En resumen, el nuevo modelo predice que no hay una pendiente crítica a partir de la cual se propagan las fisuras generando una avalancha. Esto es importante para los esquiadores ya que las señales sonoras que advierten de posibles avalanchas, que en terreno con poca pendiente suelen ser tratadas como en la fábula de «Pedro y el lobo», no pueden ser consideradas como del todo inofensivas, más bien al contrario. Este nuevo modelo sustenta teóricamente muchas de las ideas que se barajan en el campo de experimental sobre predicción de avalanchas, donde la «experiencia» es un grado. Habrá que estar «al loro» para ver si el modelo ayuda al desarrollo de mejores modelos por ordenador prognósticos y predictivos de avalanchas (quizás apoyados con datos satelitales o de estaciones de vigilancia específicas).