¿Qué pasaría si el núcleo de la Tierra se enfriara?

El núcleo

 
Además del nombre de una película de ciencia ficción lanzada en 2003, el núcleo es la parte más interna de la Tierra. Según estudios sismológicos, se encuentra justo en el centro del planeta y tiene un radio de aproximadamente 3.500 km (representa el 60% de la masa de la Tierra). Consiste principalmente en una aleación de níquel-hierro conocida como NiFe ("Ni" para níquel y "Fe" para hierro). El núcleo también es bastante denso, lo que implica que contine una gran cantidad de otros elementos pesados una cantidad muy pequeña de metales más ligeros, junto con rastros de silicio. La gravedad del núcleo es casi tres veces más fuerte que la gravedad en la superficie del planeta.

También se debe tener en cuenta que, aunque es lo suficientemente caliente por sí solo, su temperatura se ve acentuada por el calor generado por la fricción gravitacional, causado por el movimiento de materiales pesados cerca de la región donde se separan el núcleo y el manto.

¿Qué pasaría si el núcleo se enfría?

Aunque parezca un planteamiento curioso, no querremos que ocurra. El núcleo de nuestro planeta realiza una serie de funciones que son esenciales para mantener la vida en la Tierra. Todas esas funciones vitales serían interrumpidas si el núcleo se enfriara. Si el núcleo se enfriara tendríamos un planeta básicamente muerto. Esto resume bastante bien las consecuencias finales, ¿verdad? pero veamos los efectos específicos que serían causados por un enfriamiento del núcleo de la Tierra.

El enfriamiento del núcleo no solo provocaría una ausencia de energía geotérmica, sino que la oscuridad también caería sobre la Tierra, ya que las empresas de energía de todo el mundo utilizan el calor de la corteza terrestre para calentar el agua, que produce vapor, el vapor acciona las turbinas que generan electricidad a través de un proceso complejo... En otras palabras, un núcleo frío significa una Tierra más oscura.

Aparte de eso, el planeta también sería atacado por una gran cantidad de radiación peligrosa del Sol, ya que el núcleo ayuda a formar la capa protectora atmosférica y magnética alrededor de la superficie del planeta. El hierro en constante cambio en el núcleo forma este poderoso escudo alrededor de la Tierra que nos protege de la dañina radiación cósmica y solar.

En ausencia de ese escudo, habría un ataque brutal de rayos de radiación que pueden causar cáncer y sobrecalentar el planeta. También hay vientos solares que soplan sobre nuestro planeta todo el tiempo, pero son desviados en gran medida por estas fuerzas invisibles; Algunas de estas "ráfagas" de viento solar serían lo suficientemente fuertes como para secar océanos y ríos completos, pero nuestro núcleo caliente ayuda a prevenir que eso pase.

La Tierra acabaría convirtiéndose en un nuevo Marte. 

  

Lea el artículo completo en: Muy Interesante

 

La Relatividad está en las cosas que nos rodean...

Al hablar de la relatividad especial siempre nos da la impresión, al menos a mí me pasa, de que estamos tratando con una teoría que explica fenómenos que difícilmente tendrán una influencia directa en cosas tangibles para nosotros. Siempre tenemos a mano efectos chulos de partículas que “viven” más porque van a velocidades cercanas a la de la luz, los gemelos se hacen un lío con los años, las llaves no entran en las cerraduras, etc. Pero la pregunta es

¿Hay algo que nos rodee que manifieste características relativistas?

 

Y la respuesta está en la química.

En esta entrada no pretendo ser exhaustivo, tan solo quiero dar una lista de fenómenos, cotidianos, que no podrían darse de no verificarse las leyes de la relatividad especial. Como siempre, la naturaleza es maravillosa

Núcleos, electrones y orbitales

Generalmente nos dicen que las propiedades químicas de los elementos vienen determinadas por sus configuraciones electrónicas. Los átomos están compuestos por núcleos (con un número dado de protones y neutrones por allí) y electrones atraidos por este mediante la interacción eléctrica. Para entender estos hechos tenemos que recurrir a la mecánica cuántica. Muy brevemente (para una información más extensa: Orbitales Atómicos):

1. Los electrones se disponen en orbitales.
2. Estos orbitales vienen determinados por la energía del electrón (que solo puede tomar determinados valores), su momento angular, y su espín.
3. En los orbitales encontramos la información de con qué probabilidad encontraremos al electrón con una determinada energía y momento angular a una distancia R del núcleo y en una determianda dirección.

Con esta información se pueden dar cuenta de las propiedades químicas y físicas de los elementos y se puede entender la organización de los mismos en la tabla periódica.

Si le preguntamos a un físico o un químico, nos dirán que esto viene descrito esencialmente por la ecuación de Schrödinger. Esto implica que los efectos relativistas (que serían necesarios si los electrones se movieran a fracciones apreciables de la velocidad de la luz) no se consideran necesarios para un buen entendimiento de la química. Y esta es la opinión más generalizada, de hecho, se estudia poco de esto en las carreras de física o química (por no decir nada).

Así pues, la relatividad especial parece algo que solo tiene importancia en cuestiones que involucran a partículas de alta energía que se mueven a muy alta velocidad. Pero no siempre es así.

Ahora presentaremos el argumento por el cual la relatividad influye en la química de algunos elementos muy usuales en nuestras vidas y hablaremos de algunos ejemplos.

La relatividad y su influencia en los átomos

Cuando uno estudia los orbitales atómicos puede calcular cual es la velocidad promedio de los mismos.  Según los cálculos esta velocidad media tiene la siguiente dependencia:

Es decir, la velocidad aumenta con el número atómico (número de protones en el núcleo). Esto implica que la química de los elementos pesados de la tabla periódica dependerá de características relativistas.

Uno de los principales efectos que tiene esto es lo siguiente:

• Para núcleos con número atómico alrededor de 70 las velocidades de los electrones son superiores a 0.5c. A estas velocidades los efectos relativistas ya son apreciables.
• Dado que a estas velocidades las energías de los electrones se pueden asociar a un incremento de su masa efectiva (y esto solo es un truco matemático, lo que se llama la masa relativista).  Ocurre que los orbitales de tipo s y p “disminuyen su tamaño” y bajan sus energías.

El radio promedio de un orbital se puede asociar a lo que se llama como radio de Bohr:

Así pues, se produce una contracción orbital si consideramos una masa relativista en vez de una masa no relativista.

• Además se producen cambios en los niveles de energía:

En un mundo relativista, como el nuestro, los orbitales s y p tienen menor energía y los orbitales d y f tienen mayor energía que en los respectivos casos no-relativistas.

Mira tu anillo y verás la relatividad

Si la química está en lo cierto, todos los elementos de un grupo tienen que tener propiedades parecidas. Sin embargo, cuando uno mira la plata y el oro los podemos distinguir a simple vista sin más que ver su color.

¿Por qué la plata tiene color metálico plateado y el oro es amarillo?

Esta cuestión solo se puede responder en un contexto relativista. El color de estos metales es debido a una transición entre el nivel 5d y el 6s. Para la plata esta transición es muy poco probable porque la separación energética de estos niveles es grande. Pero el oro, con un Z=79 la relatividad obliga a que esos niveles estén más cercanos y la transición energética está en el rango óptico y es lo que explica su color característico.

En un mundo no relativista el oro tendría el color de la plata.

El mercurio

El mercurio es ese metal líquido. ¿Un metal líquido? ¿Un metal con un punto de fusión tan bajo que es líquido a temperaturas usuales?

Pues sí, este metal tiene las características que tiene por culpa de la relatividad.

La temperatura de fusión del oro es de unos 1000ºC y la del mercurio -39ºC. La diferencia no es poca, lo cual es sorprendente, porque están muy cerca el uno del otro en la tabla perdiódica, de hecho están al lado.

La diferencia entre el oro y el mercurio está en que el mercurio tiene su orbital 6s (contraido relativisticamente) lleno (el del oro tiene un hueco libre). Esto hace que las uniones Hg-Hg sean muy débiles y esencialmente sean uniones de Van der Walls. Eso le confiere las propiedades tan típicas a este elemento.

Abre tu coche

Las baterías que generalmente llevan los coches son las de Plomo/Ácido. Estas baterías producen corriente a través de unas reacciones de oxidación/reducción (mueven electrones de un átomo a otro). El caso es que las reacciones típicas involucran un ión del plomo, el y . Esto se consigue llevando electrones desde el orbital 6s contraido al 6p. Este proceso no es fácil de conseguir, está muy inhibido, y es lo que hace posible que estas baterías funcionen. Sin la relatividad no lo harían.

Lo obvio

Aparte de lo dicho, está claro que todas las características químicas de los elementos que involucran al espín, los acoplos espín-órbita, etc, son muestras de que vivimos en un universo donde operan las leyes dadas por la relatividad especial. El espín de las partículas es una consecuencia directa de la relatividad especial en la definición del concepto de partícula. Por lo tanto, cualquier fenómeno que dependa del espín es una muestra de la influencia de la relatividad, por poner un ejemplo, las resonancias magnéticas son una prueba palpable de que vivimos en un sitio relativista .

Aquí solo hemos pretendido mostrar, muy por encima, que a veces las cosas que nos parecen más alejadas de nuestra experiencia en realidad tienen una influencia directa en nuestras vidas. Vivimos en el universo que vivimos y eso hace que podamos rastrear sus consecuencias hasta en las situaciones más insospechadas.

Desgraciadamente, no se suele puntualizar este hecho muy a menudo ni en las clases, ni en los libros de texto. Sin embargo, es interesante tener todo esto en mente, porque vivimos en un sitio sorprendente.

Nos seguimos leyendo…

Un artículo muy interesante sobre todos estos temas, para profundizar:

Why is mercury liquid?

Fuente:

Cuentos Cuánticos

Así es la muerte de las estrellas

Supernova. Foto cedida por  NASA's Marshall Space Flight Center

Todos los días, cuando salimos a la calle o miramos por la ventana, somos conscientes del efecto que tiene el astro rey sobre el desarrollo de nuestras vidas. La supervivencia de los seres vivos depende íntegramente de su existencia y como si de una idea platónica se tratara, asumimos que Apolo seguirá arrastrando su carro a lo largo de las bóvedas celestes. Pese a que somos conscientes de que el Sol no es un cuerpo inmutable (un ejemplo aquí), sí es racional considerarlo como eterno. En esta entrada veremos cómo es la vida y muerte de una estrella. En general, puede decirse que la vida de una estrella es inversamente proporcional a su masa. Estrellas masivas dispondrán de vidas cortas e intensas, que concluirán de manera trágica. Sin embargo, las estrellas más pequeñas alargarán su existencia durante períodos mucho más largos y abandonarán este mundo sin pena ni gloria. 

Para comprender cómo acaba la vida de una estrella es necesario conocer cómo es su nacimiento. Una estrella comienza su vida a partir del colapso de una gran nube de materia, compuesta en su mayor parte por hidrógeno. Debido a la gran cantidad presente de materia, los átomos comienzan a acercarse entre sí por la acción de la gravedad. Quiero recalcar que si los átomos se atraen entre sí (sí, átomos pequeñitos) es porque su cantidad es desproporcionada. Por ello, cada vez es mayor  la presión y comienzan a chocar entren sí, aumentando la temperatura. Durante el transcurso de este proceso, los átomos de hidrógeno están tan cerca que comienzan a fundirse, lo cual produce energía, que contrarresta los efectos de la gravedad, haciendo que la estrella se hinche y tome la forma que mantendrá durante la mayor parte de su vida. Esta  fase que se conoce como secuencia principal es en la que se quema el hidrógeno para producir helio y energía.

Esquema del proceso de fusión nuclear. / Wykis

Las estrellas son enormes calderas. Se ven obligadas por la fuerza de la gravedad a convertir el hidrógeno, a 16 millones de grados Celsius, en helio. Afortunadamente, esto es lo único que necesitan durante la mayor parte de sus vidas.
En la figura situada a la izquierda puede verse, de manera esquemática, el proceso de fusión nuclear. A grandes rasgos, en el núcleo del cuerpo celeste, un átomo de deuterio y otro de tritio (isótopos de hidrógeno) se "funden", lo cual produce un átomo de helio y un neutrón, junto con, cómo no: energía.

Las reservas de hidrógeno pueden parecer eternas desde la perspectiva de un ser humano, pero llega un punto en el que no hay más hidrógeno disponible que contrarreste el efecto de la gravedad y la estrella comienza su declive. Esto se traduce en una muerte, larga y violenta. La violencia se traduce en que su volumen aumenta, pasando a ocupar un espacio cientos de veces mayor al que disponían durante su secuencia principal. Agonizante, la estrella es incapaz de mantener la temperatura de su superficie y su color se apaga, de ahí que se denomine a estas estrellas moribundas con el término de gigantes rojas.

Foto cedida por Andrea Dupree

El ejemplo de gigante roja por antonomasia es Betelgeuse. A la derecha de este párrafo podemos ver una foto tomada por el telescopio Hubble. Aunque tal vez no lo parezca, su radio es lo suficientemente grande como para que si el Sol se encontrara en el centro, todo el sistema solar cupiese dentro de esta estrella hinchada y y a punto de morir. Un hecho curioso es que la estrella se encuentra a 600 años luz de nosotros, por lo que podría haber muerto hace tiempo, pero todavía no habernos llegado su funesto destello.

En el interior de estos gigantes moribundos la gravedad empieza a ganar la batalla. Esto es debido a que por falta de hidrógeno, el proceso de fusión se está apagando. Este declive hace que los átomos cedan a la influencia de la gravedad y la distancia entre ellos disminuya. Por tal razón, las reacciones de fusión se reactivan, debido a que aún queda materia en el núcleo. Sin embargo, no se  trata de la misma situación que en la secuencia principal. Ahora ya no queda hidrógeno que fundir, sino helio; y debido a que la presión en el núcleo ha aumentado, las temperaturas son mayores (alrededor de unos 100 millones de grados Celsius). Esta situación hace posible que los átomos de helio se fundan entre sí, y producen la aparición del carbono, del oxígeno y de la energía suficiente para detener el colapso, al menos temporalmente. He aquí una de las ironías del universo. Para que se originen dos de los elementos más importantes para la presencia de la vida, una estrella debe morir. 

En el caso de nuestro Sol, al poseer una masa comedida, cuando el helio se agote, detendrá su proceso de fusión, ya que no quedará suficiente masa en su núcleo para plantarle cara a la gravedad. En ese momento el Sol se desprenderá de sus capas más externas,  y tan sólo quedará su núcleo, el cual  pasará a tomar el nombre de enana blanca, que irá apagándose a lo largo de las eras, hasta convertirse en una enana negra. 

Antes de retomar la muerte de Betelgeuse, debemos hablar de las estrellas menos masivas, es decir, aquellas cuya masa es menor que la mitad que la que posee el Sol. Como decíamos antes, la intensidad de la vida de una estrella depende de su masa. Las estrellas más grandes requieren mayor energía del proceso de fusión nuclear para contrarrestar la gravedad producida por este exceso de materia. Una enana roja, sin embargo, quema su combustible de manera lenta durante toda su vida, por lo que poco se conoce sobre su muerte, pero se espera que no sea muy violenta.

Si la masa de la estrella es superior a la del Sol, pueden darse nuevas fases de colapso y reinicio del proceso de fusión. Es decir, el proceso continúa más allá de la fusión del helio, siempre y cuando quede suficiente materia. De esta manera se consiguen todos los elementos de la tabla periódica hasta llegar al hierro. De hecho, el final de una estrella de menos de nueve masas solares, consiste en que gran parte del volumen de la estrella se estructura como una esfera con capas. Además, su centro está compuesto por hierro y las capas externas de elementos menos pesados, hasta llegar a una superficie de hidrógeno. Una vez se ha alcanzado este estado, mediante una violenta explosión, la estrella muerta esparce al universo todo su contenido en forma de una nebulosa estelar.

Las estrellas más grandes, cuya masa es superior a nueve veces la masa solar, producen el resto de elementos que conocemos. Es tanta la materia que queda en la esfera metálica del final de sus vidas, que tras su colapso, se produce un "rebote" de materia, que choca contra las capas externas, y fuerza a que se alcancen temperaturas de miles de millones de grados Celsius. Durante esta tremenda explosión, denominada supernova, se dan las condiciones necesarias para formar el resto de elementos pesados como el oro, la plata o el uranio. Esta brutal explosión disemina la esencia de la estrella en el espacio, y deja  una densa estrella de neutrones donde anteriormente se encontraba el núcleo, la cual gira frenéticamente hasta el fin de la eternidad.

Con todo lo anterior quiero decir una cosa: nada es eterno, ni siquiera una gloriosa estrella. Lo importante de la muerte de estos cuerpos es  lo que nos enseñan. De las cenizas de algo grande, siempre puede volver a surgir algo nuevo. De cada una de las nebulosas que se producen tras la muerte de cualquier estrella lo suficientemente masiva, hay suficiente materia para que nazcan nuevos astros.

Foto cedida por NASA Goddard Photo and Video

El Sol, los planetas del sistema solar, la vida, 

 se sustentan sobre el cadáver de innumerables astros. 

Nunca mejor dicho, somos polvo de estrellas.

Pepe "Puertas de Acero" Pérez

Fuente:

Mente Enjambre

¿Qué es lo que hace a un elemento radioactivo?

"Despegar" los componentes atómicos es lo que produce radioactividad.

La radioactividad es el resultado del quiebre del núcleo de un átomo.

Los núcleos atómicos están formados de protones cargados positivamente que se repelen entre ellos, "pegados" juntos por neutrones sin carga.

Neutrones y protones pueden transformarse espontáneamente en otras partículas y el resultado de la pérdida de "pegamento" desencadena una desintegración nuclear y radioactividad.

Fuente:

BBC Ciencia

Recreando el centro de la Tierra en un laboratorio

En el departamento de Física de la Universidad de Maryland hay una esfera metálica de tres metros de altura que da vueltas como si fuera una nave alienígena. Este gigantesco artefacto es parte del experimento con el que el geofísico Daniel Lathrop y su equipo pretenden descubrir cómo funciona el núcleo de nuestro planeta (...) El experimento comenzará la fase definitiva a principios de 2012, cuando se complete el rellenado de las esferas con 13 toneladas de sodio líquido, y pretende simular cómo se genera el campo magnético de la Tierra.

Seguir leyendo en: Dos esferas concéntricas gigantes para entender cómo funciona el núcleo de la Tierra (lainformacion.com)

Tomado de:

Fogonazos