II. LA LUZ DEL SOL
TODA la vida en la Tierra depende del Sol. Sin él no habría plantas ni animales y la Tierra sería como un mundo oscuro, helado y muerto. Nuestro planeta recibe del Sol aproximadamente dos calorías por centímetro cuadrado cada minuto, una cantidad tan grande que si los habitantes de la ciudad de México tuviéramos que pagar por el kilowatt hora de luz solar que recibimos lo mismo que pagamos por la energía eléctrica, deberíamos pagar más de 500 000 millones de pesos diarios. Esta energía se emplea en el calentamiento de la Tierra, en la destilación del agua de los océanos, en los procesos químicos de las plantas. Toda nuestra comida y la renovación del oxígeno que respiramos dependen del Sol; nuestros combustibles fósiles son principalmente energía solar almacenada y las especies vivas de hoy representan el resultado de una evolución de miles de millones de años que ha sido mantenida por la constante luz solar. Hace más de 4 000 millones de años que el Sol ha estado calentando e iluminando a la Tierra y gracias a ese continuo calentamiento estamos ahora nosotros aquí.
Es difícil imaginarse la gran cantidad de energía que el Sol emite y de la cual la Tierra intercepta sólo una parte en 2 200 millones. Si la energía que emite el Sol pudiera hacerse pasar por un "cable" de hielo de tres kilómetros de diámetro y de 150 millones de kilómetros de largo hasta llegar a la Tierra, este cable se evaporaría en menos de ocho segundos.
Como la intensidad de la luz solar disminuye con el cuadrado de la distancia al Sol, los planetas que se encuentran más cerca de él reciben más energía por centímetro cuadrado por minuto y los planetas lejanos reciben menos. La Tierra fue el planeta afortunado del Sistema Solar: la energía recibida del Sol fue la adecuada para el florecimiento de la vida. Hasta donde sabemos, no existe en nuestro sistema ningún otro cuerpo en que se encuentren organismos vivos ni siquiera en estados primitivos de desarrollo.
En las últimas décadas de este siglo, en las que hemos adquirido conciencia de la gran fragilidad de la vida y del enorme poder de destrucción que somos capaces de ejercer los seres humanos, se ha generado un interés casi desesperado por encontrar formas de vida en otras partes del Universo, o por lo menos de convencernos de que esto es posible. Existen serios proyectos científicos que intentan establecer comunicación con otras civilizaciones en otros sistemas planetarios o por lo menos pretenden averiguar si tales civilizaciones existen. La posibilidad de estar solos en el Universo nos causa ahora mayor pesadumbre que nunca antes. Cuando el Universo se reducía a nuestra Tierra, rodeada por una cercana y cristalina esfera celeste, tachonada de estrellas y conteniendo al Sol y a la Luna, una sola raza humana parecía ser más que suficiente; pero ahora que el Universo se ha vuelto tal vez infinito, sentimos necesidad de compañía.
Por fortuna, las posibilidades de vida en el Universo son bastante grandes. Hasta donde entendemos el proceso de la vida y las características de nuestro Universo, es muy probable que existan muchos otros planetas, girando alrededor de muchas otras estrellas, donde habiten actualmente seres vivos o puedan habitar en el futuro. Realmente sería muy sorprendente que los procesos que generaron la vida en la Tierra no se estén y se hayan dado ya en otros lugares del inmenso espacio poblado por cientos de trillones de estrellas, muchas de ellas semejantes a la nuestra. La dificultad de percibir su presencia radica en las inmensas distancias que nos separan, que incluso a los mensajes que viajan a la velocidad de la luz les toma muchos años recorrer; pero cada vez existe una confianza mayor en que no estamos solos en el Universo. Seguramente otros soles en otras partes del cosmos estan también siendo empleados para mantener vida.
LUCES QUE VEMOS Y LUCES QUE NO VEMOS
Cuando hablamos de la energía emitida por el Sol nos referimos a la luz; más específicamente a ondas electromagnéticas. Es en esta forma como el Sol envía la mayor parte de la energía que recibe la Tierra y la que ésta emplea en su calentamiento y en todos los otros procesos a que hemos hecho mención en la sección anterior.
Las ondas electromagnéticas se distinguen unas de otras por su frecuencia
(ciclos por segundo) o su longitud de onda. Las ondas más largas
—de menor frecuencia— son las ondas de radio, cuya longitud de
onda puede ser desde más de mil kilómetros hasta unos cuantos metros. Las ondas
electromagnéticas de longitudes entre un metro y un milímetro se llaman microondas
y tienen frecuencias mayores que las ondas de radio. Siguen después los rayos
infrarrojos, que son las ondas electromagnéticas que se encuentran entre microondas
y el rojo, que es el primer color, o la frecuencia más baja que el ojo
humano puede detectar. Entre 700 y 400 milimicras de longitud de onda se encuentran
las ondas electromagnéticas visibles, que es lo que propiamente llamamos
luz, y va desde el rojo hasta el violeta. Solamente en este rango de
longitudes de onda es sensible el ojo humano; las frecuencias correspondientes
para el intervalo visible son de cientos de billones de ciclos por segundo.
Las ondas electromagnéticas de frecuencias más altas que las visibles (longitudes
de onda más cortas) son: la luz ultravioleta, los rayos X y los
rayos g ;
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estos últimos comprenden hasta longitudes de onda menores que una billonésima
de metro y hasta frecuencias superiores a miles de trillones de ciclos por segundo.
Todas estas ondas constituyen el espectro electromagnético.
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Figura 6. Espectro electromagnético y ventanas atmosféricas. Las radiaciones electromagnéticas cubren una amplia gama de longitudes de onda entre las que se encuentran aquellas que podemos ver y que llamamos luz. Las radiaciones de longitudes de onda menores que la luz son los rayos ultravioleta, los rayos X y los rayos g. Las radiaciones con longitudes de onda mayores son el infrarrojo, las microondas y las ondas de radio. Nuestra atmósfera impide el paso de la mayor parte de estas radiaciones hasta la superficie y sólo deja penetrar aquellas que se encuentran en dos "ventanas": una en la región visible y otra en la región de las radioondas.
Fue James Clerk Maxwell, ingeniero y físico escocés, quien a mediados del siglo pasado propuso que la luz era una onda electromagnética; pero muy poca gente tomó en cuenta su proposición. Nueve años después de su muerte, en 1888, un ingeniero alemán, Heinrich Hertz, pudo producir por primera vez ondas electromagnéticas, aunque las ondas producidas por Hertz tenían longitudes de onda mucho mayores que las de la luz; eran ondas de radio. No tardó en demostrarse que todo era cosa de variar la longitud de onda (o la frecuencia) y se podría obtener toda una gama de ondas electromagnéticas entre las cuales estaba comprendida la luz.
Desde principios del siglo pasado se conocían ya los rayos infrarrojos y ultravioleta. Los rayos infrarrojos fueron descubiertos alrededor de 1800 por William Herschel quien, trabajando con filtros en un telescopio para observar el Sol, encontró que algunas veces sentía calor aun cuando sus filtros estuvieran bloqueando toda la luz. Para estudiar las posibles causas de este efecto, hizo pasar la luz solar por un prisma para separar los diferentes colores, y fue colocando un termómetro en las zonas iluminadas por cada uno de ellos. Encontró que conforme se movía el termómetro hacia el rojo la temperatura aumentaba y si lo colocaba más allá, donde ya no se veía ninguna luz, la temperatura aumentaba rápidamente. Así quedó demostrado por primera vez que existe luz que no vemos.
Los rayos ultravioleta fueron descubiertos en 1801 por Johann Wilhelm Ritter, cuando experimentaba con los espectros de la luz en las sales de plata. Descubrió que éstas también se oscurecían si las colocaba más allá del extremo violeta de un espectro solar dispersado por un prisma.
Figura 7. El espectro de emisión del Sol. El Sol emite la mayor parte de su energía en la región de la luz visible y en el infrarrojo; también es considerable su emisión en el ultravioleta cercano. La emisión en longitudes de onda menores que el ultravioleta o mayores que el infrarrojo es sumamente pequeña en condiciones normales.
Los rayos X y los rayos g se descubrieron a finales del siglo pasado. Los rayos X fueron descubiertos por Wilhelm Röentgen en 1895 al encontrar una radiación invisible capaz de penetrar los músculos y trazar la sombra de los huesos sobre una pantalla fluorescente; por ser ésta hasta entonces una radiación desconocida, él la bautizó con el nombre de rayos X. Los rayos g fueron descubiertos un año después por Henri Becquerel cuando sus placas fotográficas se velaron al ser colocadas cerca de un trozo de uranio, a pesar de estar envueltas en papel protector de la luz. Se les llamó g porque corresponden a una de las tres emisiones descubiertas originalmente en los elementos radiactivos naturales, las cuales fueron nombradas como las tres primeras letras del alfabeto griego: alfa (a), beta (b) y gamma (g); las emisiones a y b son partículas y sólo g es emisión electromagnética.
El Sol emite energía en todas las longitudes de onda: desde los ultracortos rayos g hasta las gigantescas ondas de radio; sin embargo, no emite la misma cantidad de energía en todas ellas. Aproximadamente el 40% de la energía emitida por el Sol está en la porción visible del espectro y 50% en el infrarrojo; casi todo el resto está en el ultravioleta. La emisión continua de rayos X y de ondas de radio del Sol es sumamente baja y sólo aumenta esporádicamente debido a la ocurrencia de ciertos eventos solares explosivos. También en estos eventos suelen emitirse rayos g, pero no parece haber una emisión continua de ellos. En capítulos posteriores se discutirá cómo y desde qué partes del Sol se emiten los diferentes tipos de radiaciones electromagnéticas.
Hemos dicho que el Sol emite radiación electromagnética en todas las longitudes de onda, pero no todas ellas llegan a la superficie de la Tierra ¡afortunadamente! Nuestra atmósfera sólo permite la penetración de la radiación que se encuentra en dos regiones específicas del espectro: la región visible y una región de ondas de radio (de un mm a 30 m) que incluye las microondas. A estas dos regiones se les llama ventanas atmosféricas, y toda la radiación proveniente del exterior con longitudes de onda distintas de éstas es absorbida o dispersada por la atmósfera y no llega al suelo. Hasta hace aproximadamente 50 años, el hombre había observado el mundo exterior solamente a través de una de ellas: la ventana óptica, es decir, la de la luz visible. No es coincidencia que sea precisamente ese tipo de luz la que pueden ver nuestros ojos, y los de casi todos los otros animales que viven en la superficie de la Tierra; después de todo somos el resultado de un proceso evolutivo en el que las especies que generaron ojos para ver otras radiaciones quedaron en tinieblas y consecuentemente en desventaja respecto a los que sí podían ver. Durante milenios, el hombre escudriñó el Universo con el único aparato de que disponía para registrar ondas electromagnéticas: sus propios ojos, y creyó que eso era todo lo que había que observar.
En los años treinta de este siglo, se detectaron por primera vez señales de radio provenientes del espacio y se descubrió la otra ventana. El Universo se amplió y una gran cantidad de información nueva y sorprendente inundó a la astronomía. Sin embargo, la intensidad de las señales recibidas por esta segunda ventana es enormemente pequeña comparada con la recibida en el visible; se ha dicho que la energía empleada en pasar la hoja de un libro es mucho mayor que toda la energía que se ha recibido en radioondas desde el inicio de la radioastronomía. Se requieren pues enormes antenas y diseños electrónicos muy sensibles para poder atisbar el Universo. Los observadores de la otra ventana tenían todo para ganar en la evolución.
Sin embargo, aunque parados sobre la superficie de la Tierra sólo tengamos una imagen parcial del mundo externo, esto representa para nosotros dos grandes ventajas: primero, el que la radiación ultravioleta y de onda más corta no penetre hace posible que se mantenga la vida, pues estas radiaciones son letales. Afortunadamente, la mayor parte de la radiación de alta energía es absorbida por los átomos y moléculas de las capas superiores de la atmósfera, con lo que las moléculas se disocian y los átomos pierden algunos de sus electrones, convirtiéndose en iones. Así, por encima de los 50 kilómetros de altura nuestra atmósfera contiene una gran cantidad de iones y electrones libres, formando lo que se conoce como la ionósfera. Gran parte de la radiación ultravioleta de menor energía no es absorbida en estas capas, pero es bloqueada por otra capa inferior, centrada alrededor de los 25 kilómetros de altura, donde se encuentra en abundancia una molécula triple de oxígeno llamada ozono. Esta molécula absorbe el ultravioleta para disociarse e impide así el paso de esta radiación a la superficie. Sin la capa de ozono, el Sol, nuestra fuente de vida, se volvería mortal.
Por otro lado, la ionósfera misma constituye un espejo que refleja las ondas de radio y esto también representa una ventaja, pues permite las radiocomunicaciones aun entre puntos muy distantes sobre la Tierra. Esta capa reflectora regresa a la Tierra las señales emitidas por las antenas de comunicación y permite que alcancen puntos incluso por debajo del horizonte.
Así pues, nuestra atmósfera representa una capa protectora, sin la cual la
vida no sería posible, y un conveniente reflector de radioondas en apoyo de
nuestras comunicaciones
Ante el inminente agotamiento de los combustibles fósiles que son el gran soporte de nuestra forma actual de vida, se ha iniciado la búsqueda de fuentes alternativas de energía que nos permitan seguir disfrutando de los productos de la era tecnológica. El desarrollo de la industria del petróleo cambió en muchos aspectos la vida cotidiana, la industria y el transporte; abrió muchas posibilidades a las que ya no estamos dispuestos a renunciar.
Se especula mucho sobre cuándo terminará por agotarse el petróleo, pero lo que nadie pone en duda es que se acabará algún día. Esta convicción ha impulsado en las últimas décadas una gran cantidad de investigaciones y diseños ingeniosos para el aprovechamiento de otras formas de energía que van desde las corrientes y caídas de agua y el viento —los más antiguos "impulsores''— hasta la energía nuclear —el juguete nuevo de la tecnología—y la siempre presente energía solar.
Figura 8. Energía solar vs. Energía nuclear. La energía que la Tierra recibe del Sol en forma de radiación electromagnética es tan grande que si pudiéramos aprovecharla eficientemente podría satisfacer la mayor parte de las necesidades energéticas de nuestro mundo moderno. Ante el creciente auge de la utilización de otras formas de energía principalmente la nuclear, la cual representa serios peligros para la vida en el planeta, diversos grupos en todas partes del mundo están llevando a cabo grandes campañas propagandísticas tendientes a evitar el desarrollo de plantas de energía nuclear, al mismo tiempo que apoyar el desarrollo de dispositivos de aprovechamiento de la energía solar, como lo muestra el emblema de la fotografía.
Como ya se mencionó, la Tierra recibe del Sol continuamente una enorme cantidad de energía; el problema es cómo aprovecharla. Este no ha resultado un problema sencillo y hoy en día no podemos decir que sabemos cómo aprovecharla de una manera competitiva. Todos los diseños actuales son muy poco eficientes y su implantación a nivel comercial y masivo se ve aún muy lejana. Sin embargo, la defensa de la utilización de la energía solar en vez de la energía nuclear se ha convertido en una causa a nivel social y no sólo un reto tecnológico. Se realizan campañas, e incluso esporádicamente manifestaciones, para destacar los peligros de la utilización de la energía nuclear y siempre se vuelven los ojos a la energía solar como la energía "limpia" y "natural".
Todavía queda mucho por andar, pero no hay duda de que el ingenio y la tenacidad del hombre encontrarán, en un futuro no lejano, formas adecuadas y eficientes de aprovechar el continuo torrente de energía que nos llega del Sol, el cual podemos estar seguros que no se agotara en mucho, mucho tiempo.