La ciencia de las auroras boreales, la nieve y los fuegos artificiales

El universo es uno de los más grandes enigmas al que nos hemos enfrentado en nuestra existencia, tratando de buscar siempre una explicación que nos haga creer y entender que lo que estamos presenciando es real y no se trata de una creación de nuestra imaginación.

Los fenómenos naturales siempre han sido un fascinante pasatiempo para todos, ya sea que se dediquen o no a la investigación o al estudio de este tipo de fenómenos. Lo que es un hecho es que sin ningún tipo de explicación nos gusta admirar la luz que refleja la luna, los sorprendentes eclipses solares, los cometas y por supuesto las increíbles auroras boreales, de quienes esta ocasión trataremos de entender cómo son creadas.

El origen de las luces del norte que bailan sobre nosotros

Las auroras boreales se nos presentan en varias formas, por lo que su aparición siempre será distinta, mostrándose como una cortina, un arco, espirales o líneas que cubren el cielo nocturno en un color verde luminoso con ciertos toques de rojo o rosa en la orillas y morado en el interior.

La explicación recae en el sol y sus explosiones que viajan por todo el espacio para encontrarse con nuestro planeta y provocar una reacción con nuestra atmósfera al entrar en el escudo magnético de la Tierra. Cuando estas partículas provenientes del sol chocan con las moléculas de aire de nuestra atmósfera, éstas se excitan produciendo su propia luz, verde para el oxigeno y azul o rojo para el nitrógeno, que una vez encendidas abarcan toda esa onda que cubre el cielo, que es lo que vemos como aurora.

Todo este espectáculo ocurre a sólo 100 kilómetros sobre nuestras cabezas y se puede apreciar desde varias regiones de nuestro planeta como Noruega, Islandia, Canadá o Alaska, esto en el hemisferio norte entre los meses de septiembre y marzo; o desde el hemisferio sur donde su nombre cambia a aurora austral y se pueden disfrutar entre los meses de marzo y septiembre.

El siguiente vídeo elaborado en conjunto con el Departamento de Física de la Universidad de Oslo nos explica cómo es que se crean las auroras boreales y nos muestra el origen de esta verdadera obra de arte sobre el cielo dibujando formas y colores a los que nuestra mente no da crédito.

Como vemos los científicos tienen clara la creación de estas auroras, pero esto no impide que millones de personas asistan año con año a destinos donde es posible vivir esta experiencia única que ilumina el cielo y donde nuestros antepasados creían que se trataba de espíritus de serpientes o dragones que bailaban, inclusive puentes construidos por los dioses para llegar al cielo.

Lo que es una realidad es que espectáculos como éste no necesitan mayor explicación más que sentarse y admirarlos, por ello existen millones de fotos y vídeos que buscan acercarnos a esta experiencia, que sin duda necesitamos experimentar en vivo y en directo al menos una vez en nuestra vida.

La Nieve

Nieve lisa y de un blanco insultante cubriendo los tejados, nieve algo más sucia en el suelo y las aceras, escarcha en los árboles, un limpio cielo azul, serenidad en las calles... Así podríamos describir un paisaje de invierno típico según el imaginario colectivo. Lo que pocos conocen es que el silencio de este escenario no se debe solo a que las nevadas invitan a los animales a hibernar y a los humanos a no salir a la calle. Además, la nieve produce calma porque absorbe los sonidos. "La nieve es porosa, y resulta tan eficaz absorbiendo el sonido como muchas fibras y espumas que se comercializan para automóviles y los sistemas de ventilación", explica David Herin, ingeniero de la Universidad de Kentucky (EE. UU.). En una escala del 0 al 1, una capa de 5 centímetros absorbe un 0,6 del rango de sonidos audibles.

¿Y qué sucede durante una nevada? A diferencia de la lluvia, la nieve no suena al caer sobre el suelo porque los copos de nieve tienen tan poca densidad que descienden muy despacio y tienden a amontonarse unos sobre otros en lugar de golpear el pavimento, como hacen las gotas de lluvia. Es decir, podemos pasar una tarde escuchando la lluvia caer, pero no la nieve.

La cosa varía si se produce una tormenta de nieve en el océano. Porque, aunque los humanos no lo perciban, para los animales marinos los copos generan un auténtico estruendo justo debajo de la superficie, según demostraron Lawrence A. Crum y sus colegas de la Universidad John Hopkins (EE. UU.). Ese ruido subsuperficial se debe a que, al precipitarse, los copos de nieve depositan una pequeña cantidad de aire justo debajo de la superficie. Y eso crea diminutas burbujas oscilantes y ruidosas, tan pequeñas y efímeras que no da tiempo a verlas. El chirrido que generan estas burbujas se sitúa en frecuencias de 50 a 200 kilohertzios, muy por encima del rango audible para el oído humano, pero bastante molesto para animales marinos como las marsopas. En total, Crum calcula que una nevada sobre el mar añade 30 decibelios a los niveles de ruido bajo el agua. Además de afectar a los habitantes del océano, el ruido puede confundir a los sonar que emplean los científicos para seguir el rastro de los peces y los mamíferos marinos en sus movimientos migratorios.¿Cómo se forma un copo de nieve?

Podemos resumir la formación de copos de nieve diciendo que surgen cuando el vapor de agua se congela en el aire alrededor de una partícula de polvo. Pero el proceso es mucho más complejo, tanto que es prácticamente imposible que se generen dos cristales de nieve exactamente iguales. El primero en afirmarlo fue Wilson Bentley, que a finales del siglo XIX, después de fotografiar 5.381 copos, no encontró ni un par de ellos idénticos. No solo por las diferencias entre los cristales hexagonales que forman los copos, sino porque ni siquiera los seis brazos de un mismo cristal son perfectamente simétricos. Las corrientes de viento y otras perturbaciones durante la formación del cristal provocan sutiles diferencias. Estudios posteriores han estimado que hay 1018 moléculas de agua en un copo de nieve, por lo que sus posibles combinaciones y ordenamientos son casi infinitas. No obstante, hay alguien que ha conseguido lo que parecía irrealizable. Después de 20 años estudiando con un microscopio los cristales de hielo en el Instituto Tecnológico de California, el físico Kenneth G. Libbrecht ha diseñado una técnica que permite producir dos cristales de nieve 'gemelos'. El secreto: colocarlos a un par de milímetros de separación y en idénticas condiciones de humedad, presión y temperatura.

¿Y qué sucede durante una nevada? A diferencia de la lluvia, la nieve no suena al caer sobre el suelo porque los copos de nieve tienen tan poca densidad que descienden muy despacio y tienden a amontonarse unos sobre otros en lugar de golpear el pavimento, como hacen las gotas de lluvia. Es decir, podemos pasar una tarde escuchando la lluvia caer, pero no la nieve.

La cosa varía si se produce una tormenta de nieve en el océano. Porque, aunque los humanos no lo perciban, para los animales marinos los copos generan un auténtico estruendo justo debajo de la superficie, según demostraron Lawrence A. Crum y sus colegas de la Universidad John Hopkins (EE. UU.). Ese ruido subsuperficial se debe a que, al precipitarse, los copos de nieve depositan una pequeña cantidad de aire justo debajo de la superficie. Y eso crea diminutas burbujas oscilantes y ruidosas, tan pequeñas y efímeras que no da tiempo a verlas. El chirrido que generan estas burbujas se sitúa en frecuencias de 50 a 200 kilohertzios, muy por encima del rango audible para el oído humano, pero bastante molesto para animales marinos como las marsopas. En total, Crum calcula que una nevada sobre el mar añade 30 decibelios a los niveles de ruido bajo el agua. Además de afectar a los habitantes del océano, el ruido puede confundir a los sonar que emplean los científicos para seguir el rastro de los peces y los mamíferos marinos en sus movimientos migratorios.

¿Cómo se forma un copo de nieve?

Podemos resumir la formación de copos de nieve diciendo que surgen cuando el vapor de agua se congela en el aire alrededor de una partícula de polvo. Pero el proceso es mucho más complejo, tanto que es prácticamente imposible que se generen dos cristales de nieve exactamente iguales. El primero en afirmarlo fue Wilson Bentley, que a finales del siglo XIX, después de fotografiar 5.381 copos, no encontró ni un par de ellos idénticos. No solo por las diferencias entre los cristales hexagonales que forman los copos, sino porque ni siquiera los seis brazos de un mismo cristal son perfectamente simétricos. Las corrientes de viento y otras perturbaciones durante la formación del cristal provocan sutiles diferencias. Estudios posteriores han estimado que hay 1018 moléculas de agua en un copo de nieve, por lo que sus posibles combinaciones y ordenamientos son casi infinitas. No obstante, hay alguien que ha conseguido lo que parecía irrealizable. Después de 20 años estudiando con un microscopio los cristales de hielo en el Instituto Tecnológico de California, el físico Kenneth G. Libbrecht ha diseñado una técnica que permite producir dos cristales de nieve 'gemelos'. El secreto: colocarlos a un par de milímetros de separación y en idénticas condiciones de humedad, presión y temperatura.

¡Y se hizo la luz de los fuegos artificiales!

Todo comienza con un estallido sordo, al que sigue el dibujo de chispas amarillas y verdosas en el cielo nocturno, que culmina en una explosión de color, con luces azules, blancas y anaranjadas. Seguidamente hay una palmera de guirnaldas rosas y una cascada de chispas blancas, que terminan en una cortina sonora ensordecedora. Son los efectos característicos de una noche mágica con fuegos artificiales.

El secreto de la pirotecnia está en la ciencia, concretamente en una reacción de óxido-reducción en la que se libera energía. Para ello es preciso que haya una sustancia que aporte oxígeno (agente oxidante) y un combustible (agente reductor).

El principal compuesto químico de los fuegos artificiales es la pólvora negra, que según la fórmula clásica está compuesta por siete partes de salitre, cinco de carbón vegetal y cinco de azufre.

En el siglo XVIII la receta primigenia evolucionó hacia tres cuartas partes de nitrato de potasio, un quince por ciento de carbón vegetal y un diez por ciento de azufre.

Las sales son las responsables del color

Pues bien, los maestros pirotécnicos la han modificado sustancialmente al sustituir el nitrato de potasio por clorato de potasio, que actúa como elemento oxidante y que consigue una combustión mucho más rápida. Esto se debe a que los nitratos tan solo ceden una tercera parte del oxígeno que contienen, frente al cien por cien de los cloratos. En la fórmula actual el azufre y el carbono son los elementos reductores que actúan como combustibles.

Para conseguir los diferentes colores se recurre a un amplio abanico de sales metálicas, cada una de las cuales es responsable de un color específico. Así por ejemplo, el rojo se logra con el nitrato de estroncio o el cloruro de litio, el verde con nitrato de bario, el naranja con cloruro de calcio, el amarillo intenso con sales de sodio, el azul con nitrato de cobre y el violeta mediante una mezcla de nitrato de estroncio y cobre.

De todos ellos el más difícil de conseguir es el azul intenso. La razón estriba en que para que el cloruro de cobre emita luz azul es preciso alcanzar los 1200 ºC, pero a esa temperatura también se descompone. Si se usa nitrato de cobre en lugar de cloruro, que tiene la ventaja de quemarse a temperaturas más bajas, el azul es menos intenso y si se opta por temperaturas intermedias el azul se torna rápidamente en blanco.

Cuando lo que se quiere conseguir son destellos plateados y blancos se emplea titanio, mientras que si lo que se desea es brillo y la luminosidad es mejor usar el magnesio, y los maestros pirotécnicos optan por el calcio cuando el objetivo es deslumbrar con una nube de partículas brillantes.

En definitiva, detrás de una palmera o de un castillo de fuegos artificiales hay oculta, al menos en apariencia, una enorme tabla de elementos químicos.

Física aplicada a la pirotecnia

Para propulsar los elementos químicos es preciso disponer de cohetes, los cuales suelen tener dos cámaras, una de ellas con la carga de pólvora, que además dispone de una salida en la parte inferior y que es la responsable de impulsar el proyectil verticalmente.

Cuando se quema esa cámara se enciende la segunda, que es la que aloja las sales que dan lugar a los colores. Para que la explosión sea segura, alejada del público, y arda con intensidad las sales tienen que tener forma de bolitas.

La combinación del perclorato potásico con una sal de ácido orgánico es capaz de generar emisiones intermitentes de gas que, al estar comprimidas en tubos de pequeño diámetro, producen los silbidos característicos de algunos fuegos artificiales.

Si queremos conocer la distancia en kilómetros que hay entre nosotros y la explosión del cohete bastará con que contemos los segundos que hay entre la explosión de colores y el sonido ensordecedor, y dividir el número obtenido por tres.

Tras el espectáculo lumínico se origina humo y se liberan partículas metalíferas de un tamaño muy pequeño, pero suficientemente grande como para que puedan ser inhaladas y llegar hasta nuestros pulmones, lo cual puede suponer un riesgo para la salud en personas con patologías respiratorias.