Terremotos en 2011

Hace tiempo que tenía este video, pero lo había olvidado. En él puede verse los terremotos registrados en el mundo de magnitud 4.5 y superiores, aunque no sé qué escala usa Japón.

En cualquier caso, sirve bastante bien para hacerse una idea de cuantos terremotos puede llegar a haber a lo largo de un año normal, ya que la mayoría suele pensar que al año sólo ocurren unos pocos terremotos, lo que salen en las noticias por ser especialmente grandes, destructivos o cercanos a nosotros. Este vídeo muestra la realidad: los terremotos son cosa de todos los días en ciertas regiones, por mucho que en Europa y Norteamérica no nos enteremos de ello.

Y más aún, si saltáis a principios de marzo, veréis la locura que fue el gran terremoto en Japón, y más tarde, a principios de julio, otro terremoto considerable en Nueva Zelanda. Y cada uno de estos terremotos, seguidos de docenas o cientos de réplicas.

Los primeros 40 segundos del video son explicativos de las fuentes, terminología y simbología que se emplean. Los últimos  2 minutos muestran varias gráficas e histogramas de resumen.

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CARMENES

Hoy se ha publicado una pequeña colaboración mía en el fantástico blog Amazings, que además participa en los premios Nikola Tesla, convocados por este mismo blog.

En mi artículo hablo sobre el proyecto hispano-alemán CARMENES, cuyo objetivo es la búsqueda de exoplanetas como la Tierra. Aquí os dejo el enlace:

CARMENES o “aquí también buscamos exoplanetas”

Que lo disfrutéis ^^

El músico que descubrió la luz invisible.

En primer lugar, permitidme que en esta ocasión os recomiende acompañar el post con un poco de música. El compositor  no es otro que Sir William Herschel, más conocido por haber sido uno de los padres de la astronomía moderna, descubridor de Urano, dos de sus satélites Titania y Oberón y dos satélites de Saturno, Mimas y Encélado.

Originalmente, Herschel era músico, director y compositor pero en 1773, cuando tenía 35 años, compró un libro sobre astronomía  que le hizo volcarse por completo, desde ese momento y en adelante, a la ciencia del cielo.

Pero hoy no hablaremos de su obra astronómica, si no de un descubrimiento “casual”.

Como como ya expliqué cuando hablé del espectro visible, la luz puede descomponerse en sus colores (frecuencias), y su intensidad en función de su frecuencia, se llama espectro. Pero me referí al espectro visible, es decir, de la luz que nuestros ojos pueden ver. Sin embargo, hay gran cantidad, de hecho, la gran mayoría de la luz, que no podemos ver:

La parte de la luz que es visible para nosotros, es una pequeña, pequeñísima fracción de todo el espectro electromagnético.

Y si no podemos verla ¿cómo supimos que estaba ahí?

Pues el primero en detectarla de alguna forma y darse cuenta de que era luzy de que no era visible fue Herschel. El 11 de Febrero de 1800 se encontraba haciendo un experimento que consistía en hacer pasar la luz solar por un prisma, para así descomponerla por efecto de la dispersión en sus colores, y medir con termómetros la cantidad de energía que obtenía de cada color. Es decir, lo mismo que seguimos haciendo hoy con avanzadísimos espectrógrafos.

El caso es que tenía un termómetro de referencia, para saber la temperatura de su habitación y así comparar los termómetros que estaban a la luz. Y el termómetro se encontraba justo más allá del color rojo. Pero cuando fue a mirar ese termómetro de referencia ¡resulta que marcaba una temperatura mayor que el resto! es decir, se había calentado más que los demás y no había sido expuesto de forma directa a la luz que podemos ver.

Herschel repitió el experimento y los resultados le llevaron a pensar que existía un tipo de luz, que no podemos ver pero que cuya capacidad para calentar las cosas es mucho mayor. Descubrió así el Infrarrojo.

El infrarrojo es lo que nosotros notamos en la piel cuando estamos cerca de algo caliente, y que llamamos vulgarmente calor. Este tipo de luz, cuya longitud de onda es mayor que la de la luz visible, se produce en objetos calientes, pero que no están tan calientes como para comenzar a brillar.

Lo interesante del caso, es que fue la primera confirmación cuantificada, científica y confirmada de que existía algún tipo de luz invisible. Esto, para nosotros que vivimos en la época de las comunicaciones por ondas invisibles de radio, televisión, móvil y cien variantes más, no es muy “sorprendente”. Pero imaginaros el impacto que supuso para Herschel y su época: La luz, que es lo que nos permite ver, tenía un color que no podía verse. Paradójico cuanto menos.

Y por último, una última reflexión. Estamos rodeados de “sabios” e iluminados que hablan de energías invisibles e indetectables “científicamente”. Lo cual es absurdo, porque la ciencia lo único que hace es comprobar el funcionamiento de la naturalza, y si hay algún tipo de energía “invisible” (como aquí ocurría) podremos detectarla por sus efectos. Sólo se trata de confirmar que hay algo de una forma objetiva, reproducible y comprobable. Pero como en realidad no hay nada, y no se detecta nada, dicen sencillamente que la ciencia “no puede”. Pero ellos sí, claro.

Esta es la diferencia entre un genio como Herschel y los vulgares estafadores.

Estrellas: El conocimiento de la Luz I

Si alguien se para a pensarlo, es un poco raro que sepamos cosas como la distancia a la que está una estrella, la masa que tiene, su tamaño o si es joven o vieja, de qué está hecha, de dónde viene y hacia dónde va… ¿Cómo podemos medir y conocer todas esas cosas? Después de todo no podemos tocarlas de modo alguno, ni mandar una sonda a mirarlas de cerca o a hacer experimentos. Por no poder, no podemos ni ver el desarrollo de su vida porque es demasiado lento, tanto que ni en toda la historia humana podríamos haber visto una pequeñísima parte de la vida de cualquier estrella. Sólo son puntitos brillantes que están MUY lejos: lo único que tenemos para entenderlo todo es su luz.

Lo que deseo conseguir con esta serie de post no es dar una lección de astrofísica en profundidad, si no que cualquiera, sepa física y matemáticas o no, pueda entender cómo funcionan algunas cosas allí arriba.

El espectro visible:

Empecemos por el principio. Lo que comúnmente llamamos luz es una onda electromagnética y aunque tal vez, esto sea algo difícil de imaginar, como cualquier onda tiene una “longitud de onda”, es decir, la distancia que mide un ciclo completo de la onda, de forma que a partir de ahí, vuelve a repetirse lo mismo una y otra vez:

La letra griega lamda es el símbolo usado en física para la "Longitud de Onda". Como puede verse es la distancia entre un máximo y otro, o entre un mínimo y otro. Fuente: Wikipedia

Lógicamente la longitud de onda se mide en distancia.

Cada longitud de onda corresponde a lo que nosotros identificamos como un color. Ahora bien, nosotros no somos capaces de ver la luz de cualquier longitud de onda, nuestros ojos están limitados a ver desde 380 a los casi 780 nanometros ( 1 nanometro es una milésima de millonesima de metro). A esta franja se la llama “espectro visible”:

Como veis, desde el violeta (380 nm) hasta el rojo (a 780 nm) se cubren todos los colores que podemos ver. Fuente: Servisystem Audio

Si a esta franja la llamamos espectro visible, cualquiera podría percatarse de que existe la insinuación de que hay un espectro no visible, algo así como “luz invisible”. Esto es cierto, pero hablaré de ello en un próximo artículo.

Luz blanca:
Salvo en casos muy particulares (un láser por ejemplo), raramente encontramos que la luz esté compuesta por una única longitud de onda. Así lo que nos llega del sol es una mezcla de todas esas longitudes de onda, que llamamos “luz blanca”, debido a que está compuesta por todos los colores. Así cuando esta luz blanca incide sobre un objeto, una parte se “absorbe” y otra se refleja, pero al perder parte de sus longitudes de onda (por ser absorbidas), el color con el que sale reflejada ya no es “blanco”, sino que tendrá un color. Este es el color que nosotros vemos. En este sentido un objeto blanco lo refleja más o menos todo, y un objeto negro no refleja casi nada.

Bueno, sí, esto es muy bonito. pero seguro que queréis una prueba. Y todos tenéis una: el arco iris.

En el arco iris, cuando la luz blanca del sol atraviesa las gotitas de agua sufre un efecto llamado dispersión y la luz se separa en sus diferentes colores. Este efecto consiste en que el agua (y otros materiales) tienen distinto índice de refracción para cada color y por eso, aunque entran todos juntos, salen en diferentes direcciones. Podéis encontrar una explicación más detallada de la refracción en mi post Refracción de Ondas ¿y qué?.

¿Qué pinta tiene un espectro?

Hasta ahora sólo he dicho que la luz nos llega con sus colores mezclados y que pueden separarse. Lo que no he mencionado es que no nos llega la misma cantidad de luz de cada color. En realidad, de cada color nos llega una cantidad diferente. Por cierto, a “cantidad de luz” en física se le llama intensidad. Y sobre esto hablaré más detalladamente en otro artículo.

Entonces, si están mezclados y en diferentes cantidades… ¿que intensidad tiene cada color? Si nosotros cogemos la luz del Sol, separamos sus colores, y medimos la intensidad de cada color y lo hacemos con muchísimo detalle, tendremos algo así:

Cada línea va a continuación de la siguiente, pero por comodidad las han cortado y pegado después unos debajo de otros. Tenéis que pensar que lo que sale sería una única línea muuuy larga. Fuente: El tamiz

Vamos, un revoltijo enorme, donde unas partes son más brillantes y otras más oscuras, incluso alguna parte es negra. Por eso se suele representar así:

En las abscisas (eje horizontal) están las longitudes de onda, vamos los colores; mientras que las ordenadas (eje vertical) muestran la intensidad: Cuanto más alto más luz que nos llega de ese tipo.

Ahora sí se entiende de forma intuitiva. La cuestión ahora es ¿porqué tiene esa forma?

Eso, para el próximo artículo.

Esta serie de artículos está dedicada a mi amiga Luz, por haberme animado a que retomara el blog pese al parón.

Canales de Sonido II

En el post anterior hablé del fundamento físico de los canales de sonido. Sin embargo, dejé pendiente la explicación de la historia de estos canales y para qué sirven.

Los canales de sonido fueron descubiertos por casualidad, en 1943, por los científicos, Maurice Ewing (biografía en español) y J.L. Worzel.

Maurice y Worzel estaban investigando cierta hipótesis propuesta por el primero, sobre la propagación de ondas de sonido en el océano. Su experimento consistía en la detonación de medio kilo de TNT en las aguas de las Bahamas, para luego registrar en distintos puntos la llegada de la onda de sonido y sus parámetros (frecuencias, intensidades etc.). El sonido de esa explosión llegó nítidamente hasta la costa occidental de África, a nada menos que 3200 kilómetros.

El análisis de los datos recibidos les hizo percatarse de un “canal” a cierta profundidad del océano que actuaba como un túnel para el sonido, transmitiéndolo prácticamente sin pérdida de intensidad a lo largo de miles de kilómetros de océano. Lo Bautizaron SOFAR (Sound Fixing And Ranging) channel.

Otro científico, Leonid Brekovskikh del Instituto de Física de Lebedev (Rusia), los descubrió de forma independiente en esa misma década gracias al análisis de explosiones en el Mar de Japón. Él lo llamó Deep Sound Channel (DSP). Por lo que podréis encontrar los canales de sonido por ambos nombres.

El canal de sonido es muy intersante porque al curvar las trayectorias del sonido, no lo deja escapar, por lo que evita pérdidas de intensidad. Podéis entender muy bien el fenómeno si pensáis la diferencia entre estos dos casos, que seguramente hayáis experimentado alguna vez:

  • Gritar  en un sitio abierto. La onda sonora se propagará esféricamente (todo a vuestro alrededor), pero claro, esto provoca que a cierta distancia ya no se pueda escuchar, debido a que la energía de la onda (su intensidad) se ha repartido en un área enorme.
  • Gritar por un tubo. Una persona al otro lado del tubo, aunque esté muy lejos, podrá escucharos, ya que la intensidad del sonido ha viajado atrapada dentro del tubo, sin repartirse en una gran área (como ocurría con el grito normal).

He aquí una imagen sobre la transmisión del sonido por un canal oceánico (click para ampliar)

img002

En el eje vertical está la profundidad del océano (en metros). En el eje horizontal se representa distancia horizontal (en millas naúticas). Como veis, por el canal se transmiten ondas en muchas trayectorias diferentes, algunas más amplias y otras más cerradas. De nuevo, no confundáis estas líneas, que son trayectorias, con el propio movimiento ondulatorio de las ondas. No tienen nada que ver. Si no lo entiendes bien, te recomiendo leer este artículo.

En la siguiente animación (Fuente: wikipedia) podéis ver como se propaga el sonido en un canal:

La utilidad de estos canales se encontró muy pronto y no es difícil imaginar cuál es: detección se submarinos. Así, la marina de EEUU desarrolló, desde 1949 y durante la siguiente década, el proyecto Jezebel. Más tarde conocido como SOSUS (Sound Surveillance System). El sistema consistía en la colocación de hidrófonos (micrófonos submarinos) en lugares claves a distintas profundidades, conectados por cables a tierra. Estos micrófonos permitían localizar submarinos en casi todo el hemisferio norte y, más aún, podía distinguirse el número de hélices, el tipo de propulsión (diesel o nuclear) e incluso, en algunos casos, el tipo de submarino.

Canales de sonido I

Hace un tiempo hablé sobre cómo la luz puede tomar trayectorias curvas debido a la refracción, puesto que es una onda. Pero hoy vamos a ir un paso más allá.  Sin embargo, esta vez lo haremos con el sonido.

Como muchos sabréis, el sonido es una onda mecánica, por lo que sólo puede propagarse en medios materiales. En cualquier caso, como es una onda, responde a los comportamientos ya explicados.

En primer lugar hay que recordar el punto esencial: la trayectoria de una onda puede curvarse debido al índice de refracción. Pero si pueden tomar trayectorias curvas significa que la onda podría moverse de forma sinusoidal (Siento la palabrota) si se dan las condiciones adecuadas. Para quién no sepa que significa la palabrota esa de sinusoide, voy a darle una imagen, que dicen que vale más que mil palabras (sobre todo de las mías)

sinusoide_1

La línea azul marca la trayectoria de la onda. Ojo, no confundáis su trayectoria con su oscilación, no tienen NADA que ver.

La cuestión es ¿bajo que condiciones puede darse este tipo de trayectoria?

Sabemos que la trayectoria se curva siempre hacia el lugar donde el índice de refracción es mayor. Es lógico pensar que en la zona central de la sinusoide es donde hay un mayor índice de refracción que éste va disminuyendo hacia arriba y hacia abajo. Así la onda, al alejarse de la zona central, tiende a torcerse de nuevo hacia ella, regresando siempre hacia la zona central:

oceano1

La curva roja es la trayectoria de la onda. El fondo marca el valor del índice de refracción: cuanto más azul, mayor índice de refracción, y por tanto menor velocidad de propagación.

Como podéis imaginar, si estoy hablando de este efecto, es porque ocurre en la naturaleza. El caso del que voy a hablar es la propagación del sonido en los océanos mediante los Canales de Sonido.

Como ya sabemos, el índice de refracción de una onda depende de la naturaleza del medio, así como de la densidad del medio. En concreto, para el sonido, cuanto mayor es la densidad de cierto fluido menor velocidad de propagación tiene (mayor índice de refracción). Nuestra conclusión sería que la gráfica anterior no sería estable: si la región azul oscuro es más densa que la que tiene por debajo, tendería a hundirse, lo mismo que una piedra se hunde en el agua debido a que su densidad es mayor que la del agua (coloquialmente “porque pesa más”). Parece que hemos llegado a un punto muerto… pero hay una cosa que no he tenido en cuenta y es que no “es densidad todo lo que reluce”.

En los océanos hay tres factores que afectan a la densidad: Temperatura, presión y salinidad. La temperatura y la salinidad afectan mucho a la densidad del agua, pero más la temperatura. Sin embargo, la presión casi no afecta a la densidad del agua. Esto es así porque el agua es un líquido, y tanto los líquidos como los sólidos son extremadamente poco compresibles: vamos, que para variar un poquito su densidad tienes que hacer presiones gigantescas.

Ahora bien, resulta que la velocidad del sonido, debido a que es una onda mecánica, se ve bastante afectada por la presión. Así, tenemos que la velocidad del sonido depende de la densidad (que a su vez depende de la temperatura y la salinidad) y de la presión. En concreto, cuanto mayor densidad, menor velocidad (mayor índice de refracción), pero cuanto mayor presión, mayor velocidad (menor índice de refracción)

A lo largo de la altura del océano conviven estos dos factores, pero cada uno tiene una influencia diferente según la altura a la que lo miremos.

Así en superficie hay poca presión, pero la densidad es bastante baja por efecto de la temperatura (el agua superficial suele ser más cálida y salina). El resultado es el efecto de la densidad se impone al de la presión y el índice de refracción es pequeño. Después la densidad disminuye rápidamente en los primeros cientos de metros, pues el agua se enfría rápidamente con la profundidad. Pero en esta distancia la presión casi no ha crecido y por tanto su influencia no puede compensar la brusca variación debida a la temperatura. Por tanto, aquí encontramos una zona con un valor alto del índice de refracción comparado con el agua que tiene encima. Pero cuanto más bajamos, más efecto tiene la presión, mientras que la densidad se mantiene casi constante ya que la temperatura es casi constante a esas profundidades. El resultado es que el índice de refracción disminuye bastante.

Veamos una imagen para aclarar la idea:

canales

En la parte de la izquierda podemos ver una medida de la variación de la velocidad del sonido con la profundidad según diferentes factores. La Ct se refiere a lo que varía debido a la variación de la temperatura del agua. La Cp se refiere a lo que varía debido al aumento de la presión con la profundidad. La figura de la derecha muestra que pasa si se combinan ambas variaciones: Nos encontramos con una zona donde la velocidad del sonido (llamada C) es menor (índice de refracción mayor) que la de las zonas que tiene por encima y por debajo.

¡Tachán! Es justo lo que había dicho al comienzo que necesitábamos para que el sonido se propagara sinusoidalmente.

Como el post está quedando kilométrico, prefiero cortarlo aquí por hoy. Mañana hablaré de las consecuencias de la existencia de estos canales, cómo se descubrieron y para que se han usado (y se usan).

Refracción de ondas ¿Y qué?

Las ondas tienen muchas propiedades realmente sorprendentes si nos detenemos a pensarlo. Una de ellas tiene que ver con los índices de refracción, algo que seguramente todo el mundo ha oído mencionar alguna vez, aunque fuera en la  ESO.

Hagamos un resumen rápido:

¿Qué significan los índices de refracción?

Los índices de refracción están relacionados con la velocidad a la que una onda se mueve en un medio. Ojo, no con su movimiento oscilatorio, sino con su movimiento de avance (“velocidad de propagación”).

En concreto la relación de los índices de índices de refracción de dos materiales es inversamente proporcional a la relación de índices de refracción entre ambos medios. Veámoslo en un ejemplo: si un material (1) tiene un índice de refracción con valor 1,5 y otro material (2) tiene un índice de refracción de 3.  Esto significa que la onda va el doble de rápido en el material (1) que en el material (2), pues su índice de refracción es la mitad.

¿Qué ocurre cuando la onda pasa de un material a otro, que tiene diferente índice de refracción?

Al pasar de un material a otro con diferentes índices de refracción, la velocidad de la onda varía instantáneamente. Pero si es un cambio instantáneo, la onda “se rompería”, excepto si la trayectoria cambiase. Esto se ve muy bien en la siguiente animación:

La línea roja es perpendicular a la superficie de la onda a lo largo de su longitud y por tanto marca la trayectoria de propagación. Como veis, la onda se deforma (variando su trayectoria) al entrar en otro medio para compensar el cambio de velocidad.

Pero aunque se deforma, daos cuenta que la onda no “se rompe”. Si os fijais en la superficie, la onda por encima y por debajo de ella no está rota: las líneas azules no se cortan al llegar a la superficie sino que ¡siguen siendo contínuas!

Entonces ¿las ondas se tuercen?

Efectivamente, una onda varía su trayectoria al pasar de un índice de refracción a otro. Planteemos ahora un caso un poco más complejo. Digamos que hay varias superficies consecutivas, cada una con mayor índice que al anterior. Ocurrirá algo así:

espejismo6

Con cada superficie consecutiva, el efecto se acumula y la onda torcerá aún más su trayectoria. Al final parece que la onda sigue una trayectoria “curva”. De hecho, se curva hacia donde su velocidad es menor.

¿Y qué?

Bueno, es una pregunta muy razonable. La razón por la que he explicado rápidamente esto, es porque los próximos días voy a dedicar varios post a interesantes ejemplos que hay en la naturaleza, y merece la pena refrescar estas ideas. Si queréis saber de que se trata, no dejéis de pasar por aquí los próximos días ^^

EDITO: Dejo aquí los post que he ido publicando sobre este tema:

Cuando la luz se tuerce

Canales de Sonido I

Canales de Sonido II

Fuentes:

Wikipedia

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/ondas/espejismo/espejismo.htm