lunes, 23 de septiembre del 2019 Fecha
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¿Todo es energía? Veamos en la Tierra

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en La Tierra y su energía    ~    Comentarios Comments (1)

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En esta inmensa, colorida y hermosa Nebulosa se crean nuevas estrellas que, llenas de energía emiten radiaciones ultravioletas que ionizan toda la región que las circundan y hace que la Nebulosa resplandezca  como una inconmensurable isla de luces y colores que nos desata la imaginación sabiendo que nuevas estrellas y mundos surgen de todo ese conglomerado de gas y polvo que interacciona con las fuerzas de la Naturaleza presentes en todas partes.

El universo entero es energía. En sus formas diferentes la energía cambia continuamente y lo mismo hace que brillen las estrellas del cielo, que los planetas giren, que los estables átomos formen moléculas y materia, que las plantas crezcan o que las civilizaciones evolucionen.

La ciencia del siglo XIX reconoció la universalidad de la energía y supo ver que la Humanidad sin energía que hiciera el trabajo más duro, no evolucionarían en el bienestar social y el saber. De todas maneras, aún hoy día, a comienzos del siglo XXI, no tenemos un conocimiento unificado de todos los ámbitos y disciplinas, que relacionados de una u otra manera con la energía, nos presente una visión global y completa de este problema. Los estudios energéticos modernos se presentan fragmentados, divididos en disciplinas, y los científicos que trabajan en cada una de ellas están muy ocupados para leer el resultado obtenido en los otros estudios.

Los geólogos, por ejemplo, al tratar de entender las grandes fuerzas que transforman la superficie del planeta por el movimiento de las placas tectónicas, rara vez están al día de los descubrimientos en las otras ramas de la energética moderna, donde se estudia desde el esfuerzo de un corredor de élite hasta el vuelo de un colibrí.

Los ingenieros se preocupan por las plantas generadoras de electricidad y piensan poco en las constantes fundamentales de la energía o en los cambios que determinaron la evolución de las sociedades antes de la llegada de la civilización de los combustibles fósiles.

Energía es todo, desde el Sol hasta un embarazo; desde el pan que comemos hasta un microchip. Sin embargo, es difícil que un técnico pueda pensar en ello cuando está centrado en resolver el problema del momento.

         También aquí está presente la energía

La progresión lógica se realiza siguiendo una secuencia progresiva desde los flujos de energía planetarios a la vida de las plantas y los animales, siguiendo con la energía humana, la energía en el desarrollo de las sociedades preindustriales y modernas, y concluyendo con el transporte y los flujos de información, que son las dos características más importantes de la civilización de los combustibles fósiles.

Los que han leído algunos de mis trabajos saben que aquí podrán encontrarse con datos y materias diversas, y aunque el tema central, como he reseñado por título, es la evolución por la energía, también podrán leer sobre la entropía, las fuerzas de la naturaleza, el átomo, o incluso, del Sol, los vientos, radiación solar o cualquier dato que, en realidad, pueda estar conectado con el concepto de energía.


El conocimiento, las peculiaridades y las complejidades de las diferentes formas de energías, así como su almacenamiento y transformación, requiere que cuantifiquemos esas cualidades y procesos. Para ello debemos introducir cierto número de conceptos científicos y medidas, así como sus unidades correspondientes.

Al hablar sobre energía nos encontramos con el problema de que el uso en el habla común de muchos términos científicos está equivocado. Como dice Henk Tennekes, “hemos creado una terrible confusión con los conceptos físicos simples en la vida ordinaria”. Pocos de esos malentendidos son tan generales y molestos como los relacionados con los términos energíapotencia y fuerza.

Definimos fuerza como la intensidad con la que intentamos desplazar – empujar, tirar, levantar, golpear… – un objeto. Podemos ejercer una fuerza enorme sobre la roca que sobresale en una montaña incluso si ésta permanece inmóvil. Sin embargo, sólo realizamos trabajo cuando el objeto que empujamos se mueve en la dirección de la fuerza aplicada. De hecho, se define el trabajo realizado como el producto de la fuerza aplicada por la distancia recorrida. La energía, como se define en los libros de texto, es “la capacidad de hacer trabajo”, y así, ésta se medirá con las mismas unidades que el trabajo.

Si medimos la fuerza en unidades denominadas newton (N), llamada así en honor de Isaac Newton, y la distancia en metros (m), el trabajo se mide en la malsonante unidad de newton-metro. Para simplificar, los científicos llaman al newton-metro julio (J), en honor de James Prescot Joule (1.818 – 1.889), quien publicó el primer cálculo preciso de la equivalencia entre trabajo y energía. El julio es la unidad estándar de trabajo y energía.

La potencia es simplemente la tasa de trabajo, es decir, un flujo de energía por unidad de tiempo. A un julio por segundo lo llamamos vatio (W) en honor de James Watt (1.736 – 1.819), inventor de la máquina de vapor mejorada y el hombre que estableció la primera unidad de potencia, que no fue el vatio sino el caballo de vapor (CV), una unidad aproximadamente igual a 750 W.

Seguimos con algunas tablas para documentarnos:

Almacenamiento de energía
Energía de Magnitud
Reservas mundiales de carbón 200.000 EJ
Reservas mundiales de masa vegetal 10.000 EJ
Calor latente de un tormenta 5 PJ
Carga de carbón de un camión de 100 t 2 TJ
Barril de petróleo crudo 6 GJ
Botella de vino de mesa blanco 3 MJ
Garbanzo pequeño 5 KJ
Mosca en la mesa de la cocina 9 mJ
Gota de agua de 2 mm en una hoja de árbol 4 μJ
Flujos de energía
Energía de Magnitud
Radiación solar 5.500.000 EJ
Fotosíntesis mundial neta 2.000 EJ
Producción mundial de combustibles fósiles 300 EJ
Huracán típico en el Caribe 38 EJ
La mayor explosión de bomba H en 1.961 240 PJ
Calor latente de un tormenta 5 PJ
Bomba de Hiroshima en 1.945 84 TJ
Metabolismo basal de un caballo grande 100 MJ
Ingesta diaria de un adulto 10 MJ
Pulsación de una tecla del ordenador 20 mJ
Salto de una pulga 100 nJ

Para avanzar un poco más tenemos que pasar de empujar y tirar (lo que llamamos energía mecánica o energía cinética) a calentar (energía térmica). Definimos una unidad llamada caloría como la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de un gramo de agua desde 14’5 a 15’5 ºC. Usando esta unidad podemos comparar energías térmicas, pero una vez más, esta unidad no nos permite comparar todas las clases diferentes de energías.

Si nos preguntamos ¿qué es la energía?, esta pregunta no es fácil de contestar. Incluso uno de los más grandes físicos modernos resulta de poca ayuda: “es importante darse cuenta de que en física, en realidad, no se sabe muy bien qué es la energía. No tenemos una idea de por qué la energía está formada por pequeños pulsos de una cantidad definida”, decía Richard Feynman en su libro Lectures on Physics.

David Rose, para definir la energía, decía: “es un concepto abstracto inventado por los físicos en el siglo XIX para describir cuantitativamente una amplia variedad de fenómenos naturales”.

Definir la energía no ha sido nunca cosa fácil, dado que está presente en todo lo que podamos mirar desde una piedra que yace en las finas arenas del fondo de un río, la montaña que majestuosa nos mira desde su altanera e imponente figura, la simple visión de un hermoso árbol, y, sobre todo, energía para mí… ¡son las estrellas del espacio interestelar! que crean el material del que se forjan los mundos y surje la vida, la más elevada forma del energía que está presente en nuestro Universo.

El conocimiento moderno de la energía incluye un número de descubrimientos fundamentales: la masa y la energía son equivalente; los diferentes tipos de energía están relacionados por muchas transformaciones; durante esas transformaciones, la energía no se destruye (primer principio de la termodinámica) y esta conservación de la energía está inexorablemente acompañada por una pérdida de utilidad (segundo principio de la termodinámica).

El primer descubrimiento, descrito en una carta de Einstein a un amigo suyo como una “idea atrevida, divertida y atractiva”, se resume en su ecuación m = E/c2, que en su versión más famosa se escribe como E = mc2; la ecuación más conocida de la física.

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El segundo descubrimiento se demuestra continuamente en miles de trasformaciones energéticas que se producen en el universo. La energía gravitatoria mantiene las galaxias en movimiento, a la Tierra girando alrededor del Sol y confinada la atmósfera que hace nuestro planeta habitable. La transformación de la energía nuclear en el interior del Sol produce el continuo flujo de energía electromagnética, llamada radiación solar. Una pequeña parte de esa energía llega al planeta Tierra que, a su vez, libera energía geotérmica. El calor producido en ambos procesos pone en movimiento la atmósfera, los océanos y las gigantescas placas tectónicas terrestres.

Una pequeña parte de la energía radiante del Sol se transforma, a través de la fotosíntesis, en reservas de energía química, que son utilizadas por muchas clases de bacterias y plantas. Los seres heterótrofos (organismos que van desde las bacterias, los protozoos y los hongos hasta los mamíferos), ingieren y reorganizan vegetales de las plantas en nuevos enlaces químicos y los utilizan para crear energía mecánica (cinética).

Imagen relacionada

          Piscina de energía geotérmica en el Parque Nacional Yellowstone en Wyoming EE.UU.

¿Qué decir de la atmósfera de la Tierra?

La atmósfera terrestre (troposfera y estratosfera) es tan delgada que, dibujando el planeta con un diámetro de 10 cm, tendría un espesor de unos 0’4 milímetros, equivalente al grosor de una línea de lápiz. Sin embargo, esta delgada capa gaseosa posee una importancia crítica para mantener el balance energético de la Tierra.

El planeta es adecuado para el desarrollo de la vida debido a que su atmósfera el llamativamente diferente de la de sus vecinos más próximos. La atmósfera de Venus está compuesta en un 96 por ciento de CO2, con un 3’5 por ciento de nitrógeno y trazas de gases nobles. La atmósfera de Marte contiene un 95’3 por ciento de CO2, un 2’7 por ciento de nitrógeno, 1’6 por ciento de argón y también trazas de agua y O3. Una atmósfera parecida a la terrestre determinaría que en la superficie marciana la temperatura sería superior a los 200º C y la presión de unos pocos MPa. En tales condiciones no podría existir vida compleja basada en el carbono con tejidos húmedos.

Hay pocas dudas de que la primera atmósfera de la Tierra contuviera abundante CO2, pero no está claro si su posterior desaparición se debió exclusivamente a procesos geoquímicos inorgánicos (sobre todo a la pérdida de ácido carbónico), o si los primeros organismos fueron importantes en la posterior conversión de CO2 en sedimentos de CaCO3. Parece claro, por el contrario, que la fotosíntesis llevada a cabo inicialmente por bacterias fue la responsable de la transformación de la atmósfera sin oxígeno en el Arcaico.

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La Biosfera se vio protegida contra la radiación ultravioleta que llegaba del espacio

El aumento de oxígeno comenzó a acelerarse hace unos 2.100 millones de años y el actual nivel del 20 por ciento se alcanzó hace unos 300 millones de años. El aumento del oxígeno troposférico permitió la formación de ozono estratosférico, que protegió la biosfera de la energética radiación UV de longitudes de onda inferiores a 295 nm. Sin esta protección no hubiera sido posible la evolución de plantas y animales más complejos, ya que si la radiación UV de frecuencias menores ya mata los gérmenes y quema la piel, la de frecuencias altas es letal para la mayoría de los organismos.

Las actividades humanas pueden modificar poco las proporciones de los constituyentes atmosféricos. La cantidad de nitrógeno que se utiliza para sintetizar amoniaco representa una fracción despreciable de las enormes reservas troposféricas y la desnitrificación finalmente recicle todo el gas. Incluso el consumo de todas las reservas conocidas de combustibles fósiles (un hecho imposible debido a los costos prohibitivos de la extracción de algunas de estas fuentes de energía, sumergidas en las fosas abisales a miles de kilómetros de profundidad) reduciría la concentración de O2 en menos de un 2 por ciento.

Las emisiones locales y regionales de aire contaminado contienen muchos gases, pero los riesgos de un cambio climático global sólo pueden venir de mayores emisiones de compuestos en trazas. Algunos de esos gases (sobre todo CO2, N2O y CH4), así como el vapor de agua, absorben fuertemente la radiación en el espectro IR. Consecuentemente, la radiación IR emitida por la superficie de la Tierra tiene longitudes de onda comprendidas en distintas ventanas intercaladas entre bandas de absorción.

Las bandas de absorción más importantes del vapor de agua están comprendidas entre 2’5 y 3 μm y entre 5 y 7 μm, mientras que el CO2 tiene dos picos estrechos en 2’5 y 4 μm, y una banda más ancha cerca de los 15 μm. Como la radiación terrestre está completamente incluida en el espectro IR, esta absorción tiene un gran efecto en el balance de la radiación de la Tierra.

Resultado de imagen de Para mantener la biosfera habitable hacen falta solamente concentraciones muy pequeñas de gases de “efecto invernadero”. El CO2 representa actualmente sólo unos 360 ppmResultado de imagen de Para mantener la biosfera habitable hacen falta solamente concentraciones muy pequeñas de gases de “efecto invernadero”. El CO2 representa actualmente sólo unos 360 ppm

Para mantener la biosfera habitable hacen falta solamente concentraciones muy pequeñas de gases de “efecto invernadero”. El CO2 representa actualmente sólo unos 360 ppm* (menos del 0’04%) de la atmósfera terrestre, y los demás gases en traza miden en ppb o ppt. Esta composición hace que la temperatura media en la superficie del planeta sea de unos 16º C, la cual, combinada con una presión superficial de 101 KPa, asegura que el agua permanezca líquida y que sea posible la fotosíntesis y el metabolismo heterótrofo. Hay que procurar (hablando coloquialmente) que Gaia no se enfade, ya que el aumento de las concentraciones de gases en traza elevaría gradualmente la temperatura media de la troposfera.

La conversión de bosques y praderas en campos de cultivo y la utilización de combustibles sólidos han hecho aumentar las emisiones de CO2, mientras que el creciente uso de fertilizantes nitrogenados, la cada vez más numerosa cabaña vacuna y el aumento del cultivo de arroz emiten cantidades adicionales de N2O y CH4. Los fluorforocarbonados, además de sus destructivos efectos sobre el ozono troposférico, son gases con efecto invernadero muy potentes. Debido a la acción combinada de los gases invernaderos antropogénicos, el flujo medio de calor absorbido ha aumentado en 2’5 W/m2 en grandes áreas del hemisferio norte, pero no estamos seguros de hasta dónde llegará esta tendencia ni de su velocidad. Lo mejor sería no confiarse; mi padre, hombre no cultivado, decía a menudo que “más vale un por si acaso que un yo creí”.

La atmósfera también interviene en el balance energético del planeta redistribuyendo el calor sensible y el calor latente del agua con los vientos y las lluvias, y de una manera completamente diferente pero más espectacular, con los rayos. La mayoría de esas descargas de elevadísima concentración de energía se originan en los cumulonimbos, y tienen una enorme potencia (duplicar el tamaño de la nube implica aumentar la potencia del rayo treinta veces). Un rayo normal descarga entre 20 y 50 MJ, la mayor parte de esa energía en 10 μs, produciendo la impresionante potencia de 1-10 GW. La luz visible emitida representa solamente el 0’2-2% de la energía disipada, invirtiéndose el resto en calentar la atmósfera a su alrededor y en la energía acústica del trueno. La observación de satélites indica que por término medio se producen unos cien mil relámpagos por segundo.

Sabemos que la atmósfera es la envoltura gaseosa que rodea a un cuerpo astronómico. Varios planetas (incluyendo la Tierra) poseen atmósferas considerables debido a su intensa gravedad. Los movimientos de los gases en las atmósferas planetarias en respuesta al calentamiento, junto con las fuerzas rotacionales, generan sistemas meteorológicos. Los satélites planetarios Titán y Tritón también poseen atmósferas.

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¡Nuestra casa! De cuyas maravillas y su relación con el Sol, sería interesante y muy instructivo saber

Creo que la atmósfera es quizá el término más vago para identificar una parte de un cuerpo celeste. Está referido a su envoltura superficial, generalmente de un planeta o estrella. Parece fácil decirlo, pero los gases no son como un líquido o un trozo de roca, en los que puede determinarse exactamente dónde está la superficie que los separa del entorno circundante de una manera precisa. Es imposible indicar el nivel exacto donde acaba la atmósfera y comienza el plasma interplanetario. De hecho, los gases apenas están sometidos a la fuerza de la gravedad; se “esfuman” hacia el espacio y abandonan continuamente el cuerpo celeste. En el caso de la Tierra, por estar cerca del Sol, determinar dónde termina la atmósfera terrestre y dónde empieza la solar es un problema al que sólo puede responderse teóricamente, que dicho sea de paso, permite licencias literarias que prohíben las matemáticas.

emilio silvera

¿Todo es energía? Fijémonos en la Tierra II

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¿Todo es energía? Veamos:Potencia de fenómenos de corta duración
Flujos de energía Duración Potencia
Terremoto de magnitud 8 en la E. Richter 30 s 1’6 PW
Gran erupción volcánica 10 h 100 TW
Energía cinética de una tormenta 20 min 100 GW
Gran bombardeo de la 2ª Guerra Mundial 1 h 20 GW
Tornado medio en EE.UU. 3 min 1’7 GW
Los cuatro motores del Boeing 747 10 h 60 MW
La mayor máquina de vapor de Watt 10 h 100 KW
Carrera de 100 m 10 s 1’3 KW
Lavadora doméstica 20 min 500 W
Audición de un CD 60 min 25 W
Una vela 2 h 5 W
El vuelo de un colibrí 3 min 0’7 W

El segundo principio de la termodinámica se refiere a la inevitable realidad de que a lo largo de la cadena de transformación de la energía se va perdiendo la capacidad de realizar un trabajo útil. Hay una magnitud asociada con esta pérdida de utilidad de la energía que se llama entropía; en cada transformación la energía se conserva, pero la entropía del sistema en su conjunto sólo puede aumentar. No hay nada que podamos hacer contra esta disminución de utilidad. Un barril de petróleo es un almacén de energía muy útil y de baja entropía que se puede transformar en calor, electricidad, movimiento y luz. Las moléculas calientes de aire emitidas por el tubo de escape de un motor o la luz que rodea una bombilla representan un estado de alta entropía en el que se producen irrecuperables pérdidas de utilidad.

En un sistema cerrado, este proceso unidireccional de disipación entrópica tiene la inevitable consecuencia de una pérdida de la complejidad y un aumento de la homogeneidad. Esto se puede ver si usted compara la multitud de moléculas orgánicas que componen el petróleo con la monotonía de unos pocos tipos de moléculas sencillas que forman los gases del tubo de escape.

Por el contrario, todos los organismos vivos (desde las bacterias hasta las civilizaciones humanas) son sistemas abiertos, que están importando y exportando energía constantemente; son capaces de mantenerse en estado de desequilibrio químico y termodinámico, creciendo y evolucionando hasta una mayor heterogeneidad y complejidad. Desafían temporalmente la tendencia entrópica.

No conviene utilizar unidades inadecuadas para medir esta gran variedad de procesos, porque casi siempre las cifras estarían seguidas o precedidas de muchos ceros. Tanto el julio como el vatio representan respectivamente cantidades muy pequeñas de energía y potencia. Aproximadamente 30 microgramos de carbón o 2 segundos de metabolismo de un ratón de campo equivalen a 1 julio. Un vatio es la potencia de una pequeña vela encendida o el vuelo rápido de un colibrí.

Prefijo de unidades científicas
Prefijo Abreviatura Notación científica
Deca- D 101
Hecto- H 102
Kilo- K 103
Mega- M 106
Giga- G 109
Tera- T 1012
Peta- P 1015
Exa- E 1018
Deci- d 10-1
Centi- c 10-2
Mili- m 10-3
Micro- μ 10-6
Nano- n 10-9
Pico- p 10-12
Femto- f 10-15
Atto- a 10-18

Como los múltiplos son inevitables, se introduce una serie de prefijos para abreviar los múltiplos más útiles: un kilogramo de buen carbón equivale a cerca de 30 millones de julios, 30 megajulios (MJ) de energía, y el consumo actual de combustibles fósiles en el mundo es aproximadamente diez billones de vatios, 10 teravatios (TW). Los mismos prefijos se añaden a las unidades de energía eléctrica: el voltio (v) es una medida de la diferencial de potencial entre dos puntos de un conductor, y el amperio (A), que mide la intensidad de la potencia eléctrica. La potencia de un sistema eléctrico es el producto de la diferencia de potencial y la intensidad de la corriente, lo que significa que un vatio es igual a un voltio por un amperio.

En la anterior tabla se relaciona una lista completa de los múltiplos y submúltiplos, algunos de los cuales se usan con mucha menos frecuencia cuando se trata de flujos de energías cotidianos.

Relación energética del Sol y la Tierra

Mientras  en el núcleo del Sol quede suficiente hidrógeno para mantener las reacciones termonucleares, la estrella que nos alumbra inundará la Tierra con radiación solar, que suministra la energía necesaria para mantener la mayoría de los procesos físicos y químicos que se producen en nuestro planeta.

Esta radiación calienta la atmósfera y el océano, genera vientos y lluvias y sostiene el inexorable proceso de la denudación. De todas las conversiones generadas de las energías globales que se producen en la Tierra, las geotectónicas (la lenta modificación del fondo oceánico y de los continentes, acompañada de terremotos y las espectaculares liberaciones energéticas de los volcanes), son las únicas que no proceden de la radiación solar, sino de la gravedad y de la liberación gradual del calor terrestre.

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La luz solar también suministra la energía necesaria para la fotosíntesis, la más importante transformación bioquímica, creando nueva biomasa en bacterias, fitoplancton, plantas superiores y, sobre todo, en bosques y praderas. Esta síntesis es el fundamento de la cadena alimenticia necesaria para el metabolismo heterótrofo de animales y personas, a los cuales la nutrición les permite desarrollar actividades que van desde una simple carrera a trabajos más elaborados, como la ocupación laboral y el ocio.

Así de importante es la luz. Las sociedades humanas, desde los pequeños grupos de cazadores o pastores hasta las sociedades más complejas que dependen de los enormes flujos de combustibles fósiles y electricidad, han estado ineludiblemente ligadas al continuo flujo de energía solar y a los almacenamientos energéticos procedentes de la misma.

El proceso de formación de carbón a partir de restos vegetales acumulados en zonas acuáticas y sumergidos, de tal manera que estaban aislados de la atmósfera, sufrieron una transformación por efecto de las bacterias anaeróbicas, que aumentan la concentración de carbono de los azúcares y desprenden gases, como metano y anhídrido carbónico. Así se forma una masa gelatinosa de turba. Posteriormente, ésta se hunde y sobre ella se van depositando nuevas capas. Las más inferiores pueden sufrir transformaciones metamórficas debido a la elevada presión y temperatura que soportan, convirtiéndose en grafito. Las condiciones biológicas, climáticas y estructurales más favorables para que tenga lugar esta serie de transformaciones se dieron durante el periodo carbonífero, que en Eurasia y Norteamérica se encontraban situadas en posición tropical y cubiertas de grandes bosques próximos al mar, que se inundaron debido a los movimientos verticales causados por la orogenia hercínica. Los yacimientos de carbón de mayor antigüedad proceden del devónico y los más modernos del cuaternario inferior.

El proceso de formación del petróleo se origina a partir de acumulaciones de plancton marino que sufre transformaciones, semejantes a la carbonización, por bacterias anaeróbicas, y que dan lugar a una materia denominada sapropel y posteriormente a la mezcla de hidrocarburos típica del petróleo. Esta transformación de hidrocarburos suele tener lugar al mismo tiempo que el proceso de sedimentación de arenas y arcillas que se transformarán en areniscas y margas, y quedarán impregnadas por el petróleo, dando lugar a las rocas madre de éste. Cuando éstas sufren presiones orogénicas o simplemente quedan sometidas a una mayor presión al hundirse los sedimentos, el petróleo migra hasta encontrarse con rocas impermeables que impiden su avance y se acumula en el subsuelo, generando los verdaderos yacimientos petrolíferos.

Los hidrocarburos gaseosos están acumulados en la parte superior de estos yacimientos de petróleo (aceites de roca: del latín petram, “piedra” y oleum, “aceite”), que es un aceite mineral hidrocarbonato, oleaginoso, inflamable, de olor acre, densidad inferior a la del agua y cuyo color varía desde el negro al incoloro. Consta principalmente de hidrocarburos líquidos, en los que se encuentran disueltos hidrocarburos sólidos (asfaltos y betunes) y gaseosos (metano, butano y acetileno); también contiene pequeñas porciones de nitrógeno, azufre, oxígeno, colesterina, porfirinas, vanadio, níquel, cobalto y molibdeno. De todo esto, mediante procesos industriales de refinado, se obtienen los productos de todos conocidos como la gasolina, nafta, queroseno, gasóleo, etc.

Su combustión es una de las fuentes más importantes de contaminación por los elevados porcentajes de azufre y otras materias que contiene. Sin embargo, por obtener esta fuente de contaminación y “riqueza” se crean conflictos que desembocan en las guerras que azotan nuestro mundo.

Ahora, después de esta breve explicación, sabemos un poco más sobre esta materia prima que ha servido, y continuará aún algún tiempo sirviendo de base a muchas generaciones pasadas y alguna menos futura: civilizaciones del combustible sólido, con su profesión de servicios energéticos, transporte generalizado y exceso de información (no siempre deseable, ya que si elimináramos el 80% de las programaciones televisivas, el mundo sería algo más culto y estaría menos embrutecido).

Un observador extraterrestre no podría encontrar nada extraordinario que le permitiera distinguir el Sol entre las millones de estrellas similares que existen en la nuestra y otras galaxias, y que a su vez representan una fracción de cientos de miles de millones de cuerpos radiantes que las forman. Como se ha dicho otras veces, nuestro Sol pertenece a una clase común de estrella localizada aproximadamente en el centro de la secuencia principal* del esquema de clasificación conocido como de Herzsprung-Russell, denominada enana G2, que posee un característico color amarillo y una magnitud estelar poco importante (+4’83). Así que, después de 4.500 millones de años, el Sol está a la mitad de su vida y va camino de transformarse de enana en gigante roja. Cuando esto ocurra, su luminosidad será mil veces mayor que la actual, y su diámetro, enormemente expandido, alcanzará (probablemente) la Tierra. Durante algún tiempo el planeta girará dentro de una órbita en el interior de la ligera cubierta de la estrella, pero final e inevitablemente caerá describiendo una espiral hasta ser engullida por el núcleo de la gigante roja.

Mucho antes de que el Sol se transforme en una gigante roja la vida en la Tierra desaparecerá. Según se contraiga el núcleo solar, las reacciones termonucleares calentarán su capa externa; el diámetro de la estrella se expandirá unas diez mil veces y la radiación de la subgigante roja evaporará los océanos y mares de la Tierra generando fortísimos vientos calientes en la convulsa atmósfera del planeta.

Sin embargo, mientras haya hidrógeno en el núcleo de la estrella, los inexorables cambios de su luminosidad serán graduales y el Sol continuará suministrando la energía necesaria, tanto para la vida en la Tierra como para la mayoría de las transformaciones físicas que ocurren en ella.

Las primeras explicaciones científicas de la radiación solar, cálculo basado en la gravitación de Hermann Helmholtz, conducen a una estimación de la vida de la estrella de unos treinta millones de años. La famosa ecuación de Einstein relacionando la materia y la energía abrió el camino hacia un modelo más preciso que, por sí sólo, tampoco nos ofrece una solución completamente satisfactoria. Por otra parte, no parece probable que la transformación total de materia solar, convirtiendo los núcleos atómicos y los electrones en radiación (según teorizaba Sir Arthur Eddington), pueda producirse ni siquiera a temperaturas superiores a los diez mil millones de grados Kelvin (K). La idea hoy aceptada de que la producción de la energía en el núcleo del Sol obedece a reacciones nucleares fue propuesta a finales de los años treinta por Hans Bethe, Charles Critchfield y Carl Friedrich von Weizsäcker.

La fusión de hidrógeno en helio, en el ciclo protón-protón, se inicia cuando la temperatura alcanza los trece millones de grados Kelvin. Justo por encima de los 16 millones Kelvin empieza a dominar el ciclo carbono-nitrógeno que genera C12. No podemos estar seguros, pero de acuerdo con los mejores modelos, el ciclo C-N genera solamente un 1’5% de la energía total del Sol.

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Las reacciones en el núcleo solar consumen entre 4’3 y 4’6 millones de toneladas de materia cada segundo, de manera que de 4.654.000 t de hidrógeno, 4.650.000 se transforman en helio, y las 4.000 toneladas que faltan son lanzadas al espacio en forma de radiación termonuclear (luz y calor) de la que una pequeña parte nos llega a la Tierra para hacer posible la vida.

De acuerdo a la relación masa-energía de Einstein, liberan 3’89×1026 J de energía nuclear. Este inmenso flujo de energía es rápidamente transformado en energía térmica, que es transportado, isotrópicamente, hacia el exterior, primero por irradiación aleatoria y luego más rápidamente por convección direccional.

Suponiendo (como antes apuntaba) que la radiación es isótropa, la potencia de la luz visible que atraviesa cada metro cuadrado de la capa emisora de la fotosfera es aproximadamente de 64 MW. Como en el espacio no hay prácticamente atenuación de la radiación solar, cuando ésta alcanza la órbita de la Tierra tiene una densidad de potencia igual al cociente entre la luminosidad total del Sol (3’89×1026 W) y el área de una esfera de radio orbital (que, como promedio, es de unos 150 millones de kilómetros).

Este flujo, tradicionalmente conocido como la constante solar, es la tasa máxima de energía que llega a la parte superior de la atmósfera terrestre. A principios de los años setenta, la NASA utilizó para el diseño de las naves espaciales un valor de la constante solar igual a 1.353 W/m2. El flujo ha sido medido directamente en el espacio desde 1.979, cuando el satélite Nimbus 7 obtuvo un valor de 1.371 W/m2. En el más reciente satélite de la Solar Maximum Mission lanzado en 1.980 se obtuvo una media ponderada de 1.368’3 W/m2.

Las observaciones continuadas desde el espacio han revelado la existencia de una compleja regularidad de pequeñas fluctuaciones de corta duración que, debido a la interferencia de la atmósfera, no habían podido ser observadas anteriormente. Estas fluctuaciones de poca duración (del orden de días a semanas) y de hasta un 0’2 por ciento son debidas al paso de manchas oscuras y fáculas brillantes que arrastra el Sol en su rotación; el ciclo medido es de 11 años, en el que la radiación solar disminuye en un 0’1 por ciento entre el valor máxima y el mínimo.

La longitud de onda de la energía electromagnética emitida por el Sol y que llega a la Tierra varía en más de diez órdenes de magnitud. Va desde la longitud de onda más corta, que corresponde a los rayos gamma y rayos X de menos de 10-10 m, hasta la longitud de ondas de radio que superan el metro.

El aspecto del espectro de la radiación solar es similar al de un cuerpo negro a 6.000º K. Ambos espectros son especialmente parecidos en el rango de la longitud de onda mayor que la del amarillo, pero para longitudes de onda menores, el espectro solar cae notablemente por debajo de la línea de los 6.000º K. De acuerdo con la ley de desplazamiento de Wien, la emisión máxima a esta temperatura es de 483 nm, cerca del final de la zona azul del espectro visible y próximo al verde.

El flujo de energía se reparte desigualmente entre las tres grandes categorías espectrales: radiación ultravioleta (UV), cuya longitud de onda va desde las más cortas hasta los 400 nm y contribuye con menos del 9 por ciento de la radiación total; la luz visible, que va desde los 400 nm del violeta más lejano hasta los 700 nm del rojo más oscuro y representa un 39 por ciento; y la radiación infrarroja (IR), que representa cerca del 52 por ciento.

La radiación que llega a la superficie de la Tierra es muy diferente de la radiación extraterrestre, tanto cualitativa como cuantitativamente. Las razones físicas de esta diferencia son varias: que la órbita de la Tierra es elíptica, la propia forma del planeta, la inclinación del eje de rotación, la composición de la atmósfera y la reflectividad (albedo) de las nubes y superficies terrestres. Consecuentemente, la radiación solar que llega a la superficie de la Tierra presenta una compleja pauta espacial y temporal. La media anual global es ligeramente inferior a 170 W/m2 en los océanos y de unos 180 W/m2 en los continentes. La diferencia más importante del valor esperado, según la latitud de la zona, se encuentra en la disminución que se presenta en los trópicos y durante los monzones subtropicales, debido a la alta nubosidad. Grandes regiones de Brasil, Nigeria y el sur de China reciben menos insolación que Nueva Inglaterra o las regiones de Europa occidental. Es aún más sorprendente que no haya diferencia entre el flujo máximo que se recibe al mediodía durante el verano en Yakarta, situada en el ecuador, y el que se recibe en ciudades subárticas como Edmonton en Canadá o Yakutsk en Liberia. Quizás el mejor ejemplo sea el de Oahu, donde la casi siempre nublada cordillera Koolau, que intercepta las nubes y las lluvias arrastran los alisios, tiene una media anual de radiación de 150 W/m2, mientras que en Pearl Harbor, a 15 Km de distancia en la dirección del viento, la media es de 250 W/m2.

La radiación solar media de 170 W/m2 representa anualmente una energía de 2’7×1024 J, que equivale a 87 PW. Esta cantidad es casi 8.000 veces mayor que el consumo mundial de combustibles sólidos y electricidad durante los primeros años noventa. Sólo una pequeña fracción de este inmenso flujo es absorbida por los pigmentos de las plantas para realizar la fotosíntesis, y una parte algo mayor, pero también pequeña, se utiliza para calentar las plantas, los cuerpos de los animales y las personas, así como sus refugios.

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La energía siempre sustentó la vida en nuestro planeta desde hace muchos millones de años

La radiación también sustenta la vida porque al calentar los océanos, las rocas y los suelos, impulsa funciones fundamentales en la biosfera, tales como el ciclo del agua, la formación de los vientos, el mantenimiento de la temperatura adecuada para que funcionen los procesos metabólicos y la descomposición orgánica. Además, es la causante de la erosión que transporta los nutrientes minerales para la producción primaria de materia orgánica.

A la larga, para mantener el equilibrio térmico del planeta, la radiación solar absorbida debe emitirse al espacio, pero la longitud de onda está drásticamente desplazada hacia el infrarrojo. A diferencia de la radiación de longitud de onda corta emitida por el Sol, que está determinada por la temperatura de la fotosfera (5.800º K), la radiación terrestre corresponde muy aproximadamente a las emisiones electromagnéticas de un cuerpo negro a 300º K (27ª C). El máximo de emisión de esa esfera caliente está en la zona del IR a 966 μm. Como el 99% de la radiación solar llega en longitudes de onda menores de 4 μm y el espectro terrestre apenas alcanza los 3 μm, el solapamiento de frecuencias entre estos dos grandes flujos de energías es mínimo.

Reacción protón-protón para formar helio 4 liberando energía

Es verdaderamente maravilloso que hallamos podido llegar a comprender los procesos complejos que, mediante hilos invisibles de energía, hacen posible que la vida en la Tierra esté presente, que los procesos esenciales del planeta sean posibles gracias al Sol y que, escenarios maravillosos como una puesta de Sol o una Aurora Boreal, sean todos la consecuencia de que, la energía, está presente en el Universo, en nuestro mundo, en nuestras vidas.

emilio silvera

Todo es energía? Fijemosnó en la Tierra

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En esta inmensa, colorida y hermosa Nebulosa se crean nuevas estrellas que, llenas de energía emiten radiaciones ultravioletas que ionizan toda la región que las circundan y hace que la Nebulosa resplandezca  como una inconmensurable isla de luces y colores que nos desata la imaginación sabiendo que nuevas estrellas y mundos surgen de todo ese conglomerado de gas y polvo que interacciona con las fuerzas de la Naturaleza presentes en todas partes.

El universo entero es energía. En sus formas diferentes la energía cambia continuamente y lo mismo hace que brillen las estrellas del cielo, que los planetas giren, que los estables átomos formen moléculas y materia, que las plantas crezcan o que las civilizaciones evolucionen.

La ciencia del siglo XIX reconoció la universalidad de la energía y supo ver que la Humanidad sin energía que hiciera el trabajo más duro, no evolucionarían en el bienestar social y el saber. De todas maneras, aún hoy día, a comienzos del siglo XXI, no tenemos un conocimiento unificado de todos los ámbitos y disciplinas, que relacionados de una u otra manera con la energía, nos presente una visión global y completa de este problema. Los estudios energéticos modernos se presentan fragmentados, divididos en disciplinas, y los científicos que trabajan en cada una de ellas están muy ocupados para leer el resultado obtenido en los otros estudios.

Los geólogos, por ejemplo, al tratar de entender las grandes fuerzas que transforman la superficie del planeta por el movimiento de las placas tectónicas, rara vez están al día de los descubrimientos en las otras ramas de la energética moderna, donde se estudia desde el esfuerzo de un corredor de élite hasta el vuelo de un colibrí.

Los ingenieros se preocupan por las plantas generadoras de electricidad y piensan poco en las constantes fundamentales de la energía o en los cambios que determinaron la evolución de las sociedades antes de la llegada de la civilización de los combustibles fósiles.

Energía es todo, desde el Sol hasta un embarazo; desde el pan que comemos hasta un microchip. Sin embargo, es difícil que un técnico pueda pensar en ello cuando está centrado en resolver el problema del momento.

         También aquí está presente la energía

La progresión lógica se realiza siguiendo una secuencia progresiva desde los flujos de energía planetarios a la vida de las plantas y los animales, siguiendo con la energía humana, la energía en el desarrollo de las sociedades preindustriales y modernas, y concluyendo con el transporte y los flujos de información, que son las dos características más importantes de la civilización de los combustibles fósiles.

Los que han leído algunos de mis trabajos saben que aquí podrán encontrarse con datos y materias diversas, y aunque el tema central, como he reseñado por título, es la evolución por la energía, también podrán leer sobre la entropía, las fuerzas de la naturaleza, el átomo, o incluso, del Sol, los vientos, radiación solar o cualquier dato que, en realidad, pueda estar conectado con el concepto de energía.


El conocimiento, las peculiaridades y las complejidades de las diferentes formas de energías, así como su almacenamiento y transformación, requiere que cuantifiquemos esas cualidades y procesos. Para ello debemos introducir cierto número de conceptos científicos y medidas, así como sus unidades correspondientes.

Al hablar sobre energía nos encontramos con el problema de que el uso en el habla común de muchos términos científicos está equivocado. Como dice Henk Tennekes, “hemos creado una terrible confusión con los conceptos físicos simples en la vida ordinaria”. Pocos de esos malentendidos son tan generales y molestos como los relacionados con los términos energíapotencia y fuerza.

Definimos fuerza como la intensidad con la que intentamos desplazar – empujar, tirar, levantar, golpear… – un objeto. Podemos ejercer una fuerza enorme sobre la roca que sobresale en una montaña incluso si ésta permanece inmóvil. Sin embargo, sólo realizamos trabajo cuando el objeto que empujamos se mueve en la dirección de la fuerza aplicada. De hecho, se define el trabajo realizado como el producto de la fuerza aplicada por la distancia recorrida. La energía, como se define en los libros de texto, es “la capacidad de hacer trabajo”, y así, ésta se medirá con las mismas unidades que el trabajo.

Si medimos la fuerza en unidades denominadas newton (N), llamada así en honor de Isaac Newton, y la distancia en metros (m), el trabajo se mide en la malsonante unidad de newton-metro. Para simplificar, los científicos llaman al newton-metro julio (J), en honor de James Prescot Joule (1.818 – 1.889), quien publicó el primer cálculo preciso de la equivalencia entre trabajo y energía. El julio es la unidad estándar de trabajo y energía.

La potencia es simplemente la tasa de trabajo, es decir, un flujo de energía por unidad de tiempo. A un julio por segundo lo llamamos vatio (W) en honor de James Watt (1.736 – 1.819), inventor de la máquina de vapor mejorada y el hombre que estableció la primera unidad de potencia, que no fue el vatio sino el caballo de vapor (CV), una unidad aproximadamente igual a 750 W.

Seguimos con algunas tablas para documentarnos:

Almacenamiento de energía
Energía de Magnitud
Reservas mundiales de carbón 200.000 EJ
Reservas mundiales de masa vegetal 10.000 EJ
Calor latente de un tormenta 5 PJ
Carga de carbón de un camión de 100 t 2 TJ
Barril de petróleo crudo 6 GJ
Botella de vino de mesa blanco 3 MJ
Garbanzo pequeño 5 KJ
Mosca en la mesa de la cocina 9 mJ
Gota de agua de 2 mm en una hoja de árbol 4 μJ
Flujos de energía
Energía de Magnitud
Radiación solar 5.500.000 EJ
Fotosíntesis mundial neta 2.000 EJ
Producción mundial de combustibles fósiles 300 EJ
Huracán típico en el Caribe 38 EJ
La mayor explosión de bomba H en 1.961 240 PJ
Calor latente de un tormenta 5 PJ
Bomba de Hiroshima en 1.945 84 TJ
Metabolismo basal de un caballo grande 100 MJ
Ingesta diaria de un adulto 10 MJ
Pulsación de una tecla del ordenador 20 mJ
Salto de una pulga 100 nJ

Para avanzar un poco más tenemos que pasar de empujar y tirar (lo que llamamos energía mecánica o energía cinética) a calentar (energía térmica). Definimos una unidad llamada caloría como la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de un gramo de agua desde 14’5 a 15’5 ºC. Usando esta unidad podemos comparar energías térmicas, pero una vez más, esta unidad no nos permite comparar todas las clases diferentes de energías.

Si nos preguntamos ¿qué es la energía?, esta pregunta no es fácil de contestar. Incluso uno de los más grandes físicos modernos resulta de poca ayuda: “es importante darse cuenta de que en física, en realidad, no se sabe muy bien qué es la energía. No tenemos una idea de por qué la energía está formada por pequeños pulsos de una cantidad definida”, decía Richard Feynman en su libro Lectures on Physics.

David Rose, para definir la energía, decía: “es un concepto abstracto inventado por los físicos en el siglo XIX para describir cuantitativamente una amplia variedad de fenómenos naturales”.

Definir la energía no ha sido nunca cosa fácil, dado que está presente en todo lo que podamos mirar desde una piedra que yace en las finas arenas del fondo de un río, la montaña que majestuosa nos mira desde su altanera e imponente figura, la simple visión de un hermoso árbol, y, sobre todo, energía para mí… ¡son las estrellas del espacio interestelar! que crean el material del que se forjan los mundos y surje la vida, la más elevada forma del energía que está presente en nuestro Universo.

El conocimiento moderno de la energía incluye un número de descubrimientos fundamentales: la masa y la energía son equivalente; los diferentes tipos de energía están relacionados por muchas transformaciones; durante esas transformaciones, la energía no se destruye (primer principio de la termodinámica) y esta conservación de la energía está inexorablemente acompañada por una pérdida de utilidad (segundo principio de la termodinámica).

El primer descubrimiento, descrito en una carta de Einstein a un amigo suyo como una “idea atrevida, divertida y atractiva”, se resume en su ecuación m = E/c2, que en su versión más famosa se escribe como E = mc2; la ecuación más conocida de la física.

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El segundo descubrimiento se demuestra continuamente en miles de trasformaciones energéticas que se producen en el universo. La energía gravitatoria mantiene las galaxias en movimiento, a la Tierra girando alrededor del Sol y confinada la atmósfera que hace nuestro planeta habitable. La transformación de la energía nuclear en el interior del Sol produce el continuo flujo de energía electromagnética, llamada radiación solar. Una pequeña parte de esa energía llega al planeta Tierra que, a su vez, libera energía geotérmica. El calor producido en ambos procesos pone en movimiento la atmósfera, los océanos y las gigantescas placas tectónicas terrestres.

Una pequeña parte de la energía radiante del Sol se transforma, a través de la fotosíntesis, en reservas de energía química, que son utilizadas por muchas clases de bacterias y plantas. Los seres heterótrofos (organismos que van desde las bacterias, los protozoos y los hongos hasta los mamíferos), ingieren y reorganizan vegetales de las plantas en nuevos enlaces químicos y los utilizan para crear energía mecánica (cinética).

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        Piscina de energía geotérmica en el Parque Nacional Yellowstone en Wyoming EE.UU.

¿Qué decir de la atmósfera de la Tierra?


La atmósfera terrestre (troposfera y estratosfera) es tan delgada que, dibujando el planeta con un diámetro de 10 cm, tendría un espesor de unos 0’4 milímetros, equivalente al grosor de una línea de lápiz. Sin embargo, esta delgada capa gaseosa posee una importancia crítica para mantener el balance energético de la Tierra.

El planeta es adecuado para el desarrollo de la vida debido a que su atmósfera el llamativamente diferente de la de sus vecinos más próximos. La atmósfera de Venus está compuesta en un 96 por ciento de CO2, con un 3’5 por ciento de nitrógeno y trazas de gases nobles. La atmósfera de Marte contiene un 95’3 por ciento de CO2, un 2’7 por ciento de nitrógeno, 1’6 por ciento de argón y también trazas de agua y O3. Una atmósfera parecida a la terrestre determinaría que en la superficie marciana la temperatura sería superior a los 200º C y la presión de unos pocos MPa. En tales condiciones no podría existir vida compleja basada en el carbono con tejidos húmedos.

Hay pocas dudas de que la primera atmósfera de la Tierra contuviera abundante CO2, pero no está claro si su posterior desaparición se debió exclusivamente a procesos geoquímicos inorgánicos (sobre todo a la pérdida de ácido carbónico), o si los primeros organismos fueron importantes en la posterior conversión de CO2 en sedimentos de CaCO3. Parece claro, por el contrario, que la fotosíntesis llevada a cabo inicialmente por bacterias fue la responsable de la transformación de la atmósfera sin oxígeno en el Arcaico.

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               La Biosfera se vio protegida contra la radiación ultravioleta que llegaba del espacio

El aumento de oxígeno comenzó a acelerarse hace unos 2.100 millones de años y el actual nivel del 20 por ciento se alcanzó hace unos 300 millones de años. El aumento del oxígeno troposférico permitió la formación de ozono estratosférico, que protegió la biosfera de la energética radiación UV de longitudes de onda inferiores a 295 nm. Sin esta protección no hubiera sido posible la evolución de plantas y animales más complejos, ya que si la radiación UV de frecuencias menores ya mata los gérmenes y quema la piel, la de frecuencias altas es letal para la mayoría de los organismos.

Las actividades humanas pueden modificar poco las proporciones de los constituyentes atmosféricos. La cantidad de nitrógeno que se utiliza para sintetizar amoniaco representa una fracción despreciable de las enormes reservas troposféricas y la desnitrificación finalmente recicle todo el gas. Incluso el consumo de todas las reservas conocidas de combustibles fósiles (un hecho imposible debido a los costos prohibitivos de la extracción de algunas de estas fuentes de energía, sumergidas en las fosas abisales a miles de kilómetros de profundidad) reduciría la concentración de O2 en menos de un 2 por ciento.

Las emisiones locales y regionales de aire contaminado contienen muchos gases, pero los riesgos de un cambio climático global sólo pueden venir de mayores emisiones de compuestos en trazas. Algunos de esos gases (sobre todo CO2, N2O y CH4), así como el vapor de agua, absorben fuertemente la radiación en el espectro IR. Consecuentemente, la radiación IR emitida por la superficie de la Tierra tiene longitudes de onda comprendidas en distintas ventanas intercaladas entre bandas de absorción.

Las bandas de absorción más importantes del vapor de agua están comprendidas entre 2’5 y 3 μm y entre 5 y 7 μm, mientras que el CO2 tiene dos picos estrechos en 2’5 y 4 μm, y una banda más ancha cerca de los 15 μm. Como la radiación terrestre está completamente incluida en el espectro IR, esta absorción tiene un gran efecto en el balance de la radiación de la Tierra.

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Para mantener la biosfera habitable hacen falta solamente concentraciones muy pequeñas de gases de “efecto invernadero”. El CO2 representa actualmente sólo unos 360 ppm* (menos del 0’04%) de la atmósfera terrestre, y los demás gases en traza miden en ppb o ppt. Esta composición hace que la temperatura media en la superficie del planeta sea de unos 16º C, la cual, combinada con una presión superficial de 101 KPa, asegura que el agua permanezca líquida y que sea posible la fotosíntesis y el metabolismo heterótrofo. Hay que procurar (hablando coloquialmente) que Gaia no se enfade, ya que el aumento de las concentraciones de gases en traza elevaría gradualmente la temperatura media de la troposfera.

La conversión de bosques y praderas en campos de cultivo y la utilización de combustibles sólidos han hecho aumentar las emisiones de CO2, mientras que el creciente uso de fertilizantes nitrogenados, la cada vez más numerosa cabaña vacuna y el aumento del cultivo de arroz emiten cantidades adicionales de N2O y CH4. Los fluorforocarbonados, además de sus destructivos efectos sobre el ozono troposférico, son gases con efecto invernadero muy potentes. Debido a la acción combinada de los gases invernaderos antropogénicos, el flujo medio de calor absorbido ha aumentado en 2’5 W/m2 en grandes áreas del hemisferio norte, pero no estamos seguros de hasta dónde llegará esta tendencia ni de su velocidad. Lo mejor sería no confiarse; mi padre, hombre no cultivado, decía a menudo que “más vale un por si acaso que un yo creí”.

La atmósfera también interviene en el balance energético del planeta redistribuyendo el calor sensible y el calor latente del agua con los vientos y las lluvias, y de una manera completamente diferente pero más espectacular, con los rayos. La mayoría de esas descargas de elevadísima concentración de energía se originan en los cumulonimbos, y tienen una enorme potencia (duplicar el tamaño de la nube implica aumentar la potencia del rayo treinta veces). Un rayo normal descarga entre 20 y 50 MJ, la mayor parte de esa energía en 10 μs, produciendo la impresionante potencia de 1-10 GW. La luz visible emitida representa solamente el 0’2-2% de la energía disipada, invirtiéndose el resto en calentar la atmósfera a su alrededor y en la energía acústica del trueno. La observación de satélites indica que por término medio se producen unos cien mil relámpagos por segundo.

Sabemos que la atmósfera es la envoltura gaseosa que rodea a un cuerpo astronómico. Varios planetas (incluyendo la Tierra) poseen atmósferas considerables debido a su intensa gravedad. Los movimientos de los gases en las atmósferas planetarias en respuesta al calentamiento, junto con las fuerzas rotacionales, generan sistemas meteorológicos. Los satélites planetarios Titán y Tritón también poseen atmósferas.

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¡Nuestra casa! De cuyas maravillas y su relación con el Sol, sería interesante y muy instructivo saber

Creo que la atmósfera es quizá el término más vago para identificar una parte de un cuerpo celeste. Está referido a su envoltura superficial, generalmente de un planeta o estrella. Parece fácil decirlo, pero los gases no son como un líquido o un trozo de roca, en los que puede determinarse exactamente dónde está la superficie que los separa del entorno circundante de una manera precisa. Es imposible indicar el nivel exacto donde acaba la atmósfera y comienza el plasma interplanetario. De hecho, los gases apenas están sometidos a la fuerza de la gravedad; se “esfuman” hacia el espacio y abandonan continuamente el cuerpo celeste. En el caso de la Tierra, por estar cerca del Sol, determinar dónde termina la atmósfera terrestre y dónde empieza la solar es un problema al que sólo puede responderse teóricamente, que dicho sea de paso, permite licencias literarias que prohíben las matemáticas.

emilio silvera

¿Todo es energía? Fijémonos en la Tierra II

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¿Todo es energía? Veamos:Potencia de fenómenos de corta duración
Flujos de energía Duración Potencia
Terremoto de magnitud 8 en la E. Richter 30 s 1’6 PW
Gran erupción volcánica 10 h 100 TW
Energía cinética de una tormenta 20 min 100 GW
Gran bombardeo de la 2ª Guerra Mundial 1 h 20 GW
Tornado medio en EE.UU. 3 min 1’7 GW
Los cuatro motores del Boeing 747 10 h 60 MW
La mayor máquina de vapor de Watt 10 h 100 KW
Carrera de 100 m 10 s 1’3 KW
Lavadora doméstica 20 min 500 W
Audición de un CD 60 min 25 W
Una vela 2 h 5 W
El vuelo de un colibrí 3 min 0’7 W

 

 

El segundo principio de la termodinámica se refiere a la inevitable realidad de que a lo largo de la cadena de transformación de la energía se va perdiendo la capacidad de realizar un trabajo útil. Hay una magnitud asociada con esta pérdida de utilidad de la energía que se llama entropía; en cada transformación la energía se conserva, pero la entropía del sistema en su conjunto sólo puede aumentar. No hay nada que podamos hacer contra esta disminución de utilidad. Un barril de petróleo es un almacén de energía muy útil y de baja entropía que se puede transformar en calor, electricidad, movimiento y luz. Las moléculas calientes de aire emitidas por el tubo de escape de un motor o la luz que rodea una bombilla representan un estado de alta entropía en el que se producen irrecuperables pérdidas de utilidad.

 

 

 

 

 

En un sistema cerrado, este proceso unidireccional de disipación entrópica tiene la inevitable consecuencia de una pérdida de la complejidad y un aumento de la homogeneidad. Esto se puede ver si usted compara la multitud de moléculas orgánicas que componen el petróleo con la monotonía de unos pocos tipos de moléculas sencillas que forman los gases del tubo de escape.

 

 

 

 

Por el contrario, todos los organismos vivos (desde las bacterias hasta las civilizaciones humanas) son sistemas abiertos, que están importando y exportando energía constantemente; son capaces de mantenerse en estado de desequilibrio químico y termodinámico, creciendo y evolucionando hasta una mayor heterogeneidad y complejidad. Desafían temporalmente la tendencia entrópica.

No conviene utilizar unidades inadecuadas para medir esta gran variedad de procesos, porque casi siempre las cifras estarían seguidas o precedidas de muchos ceros. Tanto el julio como el vatio representan respectivamente cantidades muy pequeñas de energía y potencia. Aproximadamente 30 microgramos de carbón o 2 segundos de metabolismo de un ratón de campo equivalen a 1 julio. Un vatio es la potencia de una pequeña vela encendida o el vuelo rápido de un colibrí.

 

 

 

 

Prefijo de unidades científicas
Prefijo Abreviatura Notación científica
Deca- D 101
Hecto- H 102
Kilo- K 103
Mega- M 106
Giga- G 109
Tera- T 1012
Peta- P 1015
Exa- E 1018
Deci- d 10-1
Centi- c 10-2
Mili- m 10-3
Micro- μ 10-6
Nano- n 10-9
Pico- p 10-12
Femto- f 10-15
Atto- a 10-18

Como los múltiplos son inevitables, se introduce una serie de prefijos para abreviar los múltiplos más útiles: un kilogramo de buen carbón equivale a cerca de 30 millones de julios, 30 megajulios (MJ) de energía, y el consumo actual de combustibles fósiles en el mundo es aproximadamente diez billones de vatios, 10 teravatios (TW). Los mismos prefijos se añaden a las unidades de energía eléctrica: el voltio (v) es una medida de la diferencial de potencial entre dos puntos de un conductor, y el amperio (A), que mide la intensidad de la potencia eléctrica. La potencia de un sistema eléctrico es el producto de la diferencia de potencial y la intensidad de la corriente, lo que significa que un vatio es igual a un voltio por un amperio.

En la anterior tabla se relaciona una lista completa de los múltiplos y submúltiplos, algunos de los cuales se usan con mucha menos frecuencia cuando se trata de flujos de energías cotidianos.

Relación energética del Sol y la Tierra

Mientras  en el núcleo del Sol quede suficiente hidrógeno para mantener las reacciones termonucleares, la estrella que nos alumbra inundará la Tierra con radiación solar, que suministra la energía necesaria para mantener la mayoría de los procesos físicos y químicos que se producen en nuestro planeta.

Esta radiación calienta la atmósfera y el océano, genera vientos y lluvias y sostiene el inexorable proceso de la denudación. De todas las conversiones generadas de las energías globales que se producen en la Tierra, las geotectónicas (la lenta modificación del fondo oceánico y de los continentes, acompañada de terremotos y las espectaculares liberaciones energéticas de los volcanes), son las únicas que no proceden de la radiación solar, sino de la gravedad y de la liberación gradual del calor terrestre.

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La luz solar también suministra la energía necesaria para la fotosíntesis, la más importante transformación bioquímica, creando nueva biomasa en bacterias, fitoplancton, plantas superiores y, sobre todo, en bosques y praderas. Esta síntesis es el fundamento de la cadena alimenticia necesaria para el metabolismo heterótrofo de animales y personas, a los cuales la nutrición les permite desarrollar actividades que van desde una simple carrera a trabajos más elaborados, como la ocupación laboral y el ocio.

Así de importante es la luz. Las sociedades humanas, desde los pequeños grupos de cazadores o pastores hasta las sociedades más complejas que dependen de los enormes flujos de combustibles fósiles y electricidad, han estado ineludiblemente ligadas al continuo flujo de energía solar y a los almacenamientos energéticos procedentes de la misma.

El proceso de formación de carbón a partir de restos vegetales acumulados en zonas acuáticas y sumergidos, de tal manera que estaban aislados de la atmósfera, sufrieron una transformación por efecto de las bacterias anaeróbicas, que aumentan la concentración de carbono de los azúcares y desprenden gases, como metano y anhídrido carbónico. Así se forma una masa gelatinosa de turba. Posteriormente, ésta se hunde y sobre ella se van depositando nuevas capas. Las más inferiores pueden sufrir transformaciones metamórficas debido a la elevada presión y temperatura que soportan, convirtiéndose en grafito. Las condiciones biológicas, climáticas y estructurales más favorables para que tenga lugar esta serie de transformaciones se dieron durante el periodo carbonífero, que en Eurasia y Norteamérica se encontraban situadas en posición tropical y cubiertas de grandes bosques próximos al mar, que se inundaron debido a los movimientos verticales causados por la orogenia hercínica. Los yacimientos de carbón de mayor antigüedad proceden del devónico y los más modernos del cuaternario inferior.

El proceso de formación del petróleo se origina a partir de acumulaciones de plancton marino que sufre transformaciones, semejantes a la carbonización, por bacterias anaeróbicas, y que dan lugar a una materia denominada sapropel y posteriormente a la mezcla de hidrocarburos típica del petróleo. Esta transformación de hidrocarburos suele tener lugar al mismo tiempo que el proceso de sedimentación de arenas y arcillas que se transformarán en areniscas y margas, y quedarán impregnadas por el petróleo, dando lugar a las rocas madre de éste. Cuando éstas sufren presiones orogénicas o simplemente quedan sometidas a una mayor presión al hundirse los sedimentos, el petróleo migra hasta encontrarse con rocas impermeables que impiden su avance y se acumula en el subsuelo, generando los verdaderos yacimientos petrolíferos.

Los hidrocarburos gaseosos están acumulados en la parte superior de estos yacimientos de petróleo (aceites de roca: del latín petram, “piedra” y oleum, “aceite”), que es un aceite mineral hidrocarbonato, oleaginoso, inflamable, de olor acre, densidad inferior a la del agua y cuyo color varía desde el negro al incoloro. Consta principalmente de hidrocarburos líquidos, en los que se encuentran disueltos hidrocarburos sólidos (asfaltos y betunes) y gaseosos (metano, butano y acetileno); también contiene pequeñas porciones de nitrógeno, azufre, oxígeno, colesterina, porfirinas, vanadio, níquel, cobalto y molibdeno. De todo esto, mediante procesos industriales de refinado, se obtienen los productos de todos conocidos como la gasolina, nafta, queroseno, gasóleo, etc.

Su combustión es una de las fuentes más importantes de contaminación por los elevados porcentajes de azufre y otras materias que contiene. Sin embargo, por obtener esta fuente de contaminación y “riqueza” se crean conflictos que desembocan en las guerras que azotan nuestro mundo.

Ahora, después de esta breve explicación, sabemos un poco más sobre esta materia prima que ha servido, y continuará aún algún tiempo sirviendo de base a muchas generaciones pasadas y alguna menos futura: civilizaciones del combustible sólido, con su profesión de servicios energéticos, transporte generalizado y exceso de información (no siempre deseable, ya que si elimináramos el 80% de las programaciones televisivas, el mundo sería algo más culto y estaría menos embrutecido).

Un observador extraterrestre no podría encontrar nada extraordinario que le permitiera distinguir el Sol entre las millones de estrellas similares que existen en la nuestra y otras galaxias, y que a su vez representan una fracción de cientos de miles de millones de cuerpos radiantes que las forman. Como se ha dicho otras veces, nuestro Sol pertenece a una clase común de estrella localizada aproximadamente en el centro de la secuencia principal* del esquema de clasificación conocido como de Herzsprung-Russell, denominada enana G2, que posee un característico color amarillo y una magnitud estelar poco importante (+4’83). Así que, después de 4.500 millones de años, el Sol está a la mitad de su vida y va camino de transformarse de enana en gigante roja. Cuando esto ocurra, su luminosidad será mil veces mayor que la actual, y su diámetro, enormemente expandido, alcanzará (probablemente) la Tierra. Durante algún tiempo el planeta girará dentro de una órbita en el interior de la ligera cubierta de la estrella, pero final e inevitablemente caerá describiendo una espiral hasta ser engullida por el núcleo de la gigante roja.

Mucho antes de que el Sol se transforme en una gigante roja la vida en la Tierra desaparecerá. Según se contraiga el núcleo solar, las reacciones termonucleares calentarán su capa externa; el diámetro de la estrella se expandirá unas diez mil veces y la radiación de la subgigante roja evaporará los océanos y mares de la Tierra generando fortísimos vientos calientes en la convulsa atmósfera del planeta.

Sin embargo, mientras haya hidrógeno en el núcleo de la estrella, los inexorables cambios de su luminosidad serán graduales y el Sol continuará suministrando la energía necesaria, tanto para la vida en la Tierra como para la mayoría de las transformaciones físicas que ocurren en ella.

Las primeras explicaciones científicas de la radiación solar, cálculo basado en la gravitación de Hermann Helmholtz, conducen a una estimación de la vida de la estrella de unos treinta millones de años. La famosa ecuación de Einstein relacionando la materia y la energía abrió el camino hacia un modelo más preciso que, por sí sólo, tampoco nos ofrece una solución completamente satisfactoria. Por otra parte, no parece probable que la transformación total de materia solar, convirtiendo los núcleos atómicos y los electrones en radiación (según teorizaba Sir Arthur Eddington), pueda producirse ni siquiera a temperaturas superiores a los diez mil millones de grados Kelvin (K). La idea hoy aceptada de que la producción de la energía en el núcleo del Sol obedece a reacciones nucleares fue propuesta a finales de los años treinta por Hans Bethe, Charles Critchfield y Carl Friedrich von Weizsäcker.

La fusión de hidrógeno en helio, en el ciclo protón-protón, se inicia cuando la temperatura alcanza los trece millones de grados Kelvin. Justo por encima de los 16 millones Kelvin empieza a dominar el ciclo carbono-nitrógeno que genera C12. No podemos estar seguros, pero de acuerdo con los mejores modelos, el ciclo C-N genera solamente un 1’5% de la energía total del Sol.

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Las reacciones en el núcleo solar consumen entre 4’3 y 4’6 millones de toneladas de materia cada segundo, de manera que de 4.654.000 t de hidrógeno, 4.650.000 se transforman en helio, y las 4.000 toneladas que faltan son lanzadas al espacio en forma de radiación termonuclear (luz y calor) de la que una pequeña parte nos llega a la Tierra para hacer posible la vida.

De acuerdo a la relación masa-energía de Einstein, liberan 3’89×1026 J de energía nuclear. Este inmenso flujo de energía es rápidamente transformado en energía térmica, que es transportado, isotrópicamente, hacia el exterior, primero por irradiación aleatoria y luego más rápidamente por convección direccional.

Suponiendo (como antes apuntaba) que la radiación es isótropa, la potencia de la luz visible que atraviesa cada metro cuadrado de la capa emisora de la fotosfera es aproximadamente de 64 MW. Como en el espacio no hay prácticamente atenuación de la radiación solar, cuando ésta alcanza la órbita de la Tierra tiene una densidad de potencia igual al cociente entre la luminosidad total del Sol (3’89×1026 W) y el área de una esfera de radio orbital (que, como promedio, es de unos 150 millones de kilómetros).

Este flujo, tradicionalmente conocido como la constante solar, es la tasa máxima de energía que llega a la parte superior de la atmósfera terrestre. A principios de los años setenta, la NASA utilizó para el diseño de las naves espaciales un valor de la constante solar igual a 1.353 W/m2. El flujo ha sido medido directamente en el espacio desde 1.979, cuando el satélite Nimbus 7 obtuvo un valor de 1.371 W/m2. En el más reciente satélite de la Solar Maximum Mission lanzado en 1.980 se obtuvo una media ponderada de 1.368’3 W/m2.

Las observaciones continuadas desde el espacio han revelado la existencia de una compleja regularidad de pequeñas fluctuaciones de corta duración que, debido a la interferencia de la atmósfera, no habían podido ser observadas anteriormente. Estas fluctuaciones de poca duración (del orden de días a semanas) y de hasta un 0’2 por ciento son debidas al paso de manchas oscuras y fáculas brillantes que arrastra el Sol en su rotación; el ciclo medido es de 11 años, en el que la radiación solar disminuye en un 0’1 por ciento entre el valor máxima y el mínimo.

La longitud de onda de la energía electromagnética emitida por el Sol y que llega a la Tierra varía en más de diez órdenes de magnitud. Va desde la longitud de onda más corta, que corresponde a los rayos gamma y rayos X de menos de 10-10 m, hasta la longitud de ondas de radio que superan el metro.

El aspecto del espectro de la radiación solar es similar al de un cuerpo negro a 6.000º K. Ambos espectros son especialmente parecidos en el rango de la longitud de onda mayor que la del amarillo, pero para longitudes de onda menores, el espectro solar cae notablemente por debajo de la línea de los 6.000º K. De acuerdo con la ley de desplazamiento de Wien, la emisión máxima a esta temperatura es de 483 nm, cerca del final de la zona azul del espectro visible y próximo al verde.

El flujo de energía se reparte desigualmente entre las tres grandes categorías espectrales: radiación ultravioleta (UV), cuya longitud de onda va desde las más cortas hasta los 400 nm y contribuye con menos del 9 por ciento de la radiación total; la luz visible, que va desde los 400 nm del violeta más lejano hasta los 700 nm del rojo más oscuro y representa un 39 por ciento; y la radiación infrarroja (IR), que representa cerca del 52 por ciento.

La radiación que llega a la superficie de la Tierra es muy diferente de la radiación extraterrestre, tanto cualitativa como cuantitativamente. Las razones físicas de esta diferencia son varias: que la órbita de la Tierra es elíptica, la propia forma del planeta, la inclinación del eje de rotación, la composición de la atmósfera y la reflectividad (albedo) de las nubes y superficies terrestres. Consecuentemente, la radiación solar que llega a la superficie de la Tierra presenta una compleja pauta espacial y temporal. La media anual global es ligeramente inferior a 170 W/m2 en los océanos y de unos 180 W/m2 en los continentes. La diferencia más importante del valor esperado, según la latitud de la zona, se encuentra en la disminución que se presenta en los trópicos y durante los monzones subtropicales, debido a la alta nubosidad. Grandes regiones de Brasil, Nigeria y el sur de China reciben menos insolación que Nueva Inglaterra o las regiones de Europa occidental. Es aún más sorprendente que no haya diferencia entre el flujo máximo que se recibe al mediodía durante el verano en Yakarta, situada en el ecuador, y el que se recibe en ciudades subárticas como Edmonton en Canadá o Yakutsk en Liberia. Quizás el mejor ejemplo sea el de Oahu, donde la casi siempre nublada cordillera Koolau, que intercepta las nubes y las lluvias arrastran los alisios, tiene una media anual de radiación de 150 W/m2, mientras que en Pearl Harbor, a 15 Km de distancia en la dirección del viento, la media es de 250 W/m2.

La radiación solar media de 170 W/m2 representa anualmente una energía de 2’7×1024 J, que equivale a 87 PW. Esta cantidad es casi 8.000 veces mayor que el consumo mundial de combustibles sólidos y electricidad durante los primeros años noventa. Sólo una pequeña fracción de este inmenso flujo es absorbida por los pigmentos de las plantas para realizar la fotosíntesis, y una parte algo mayor, pero también pequeña, se utiliza para calentar las plantas, los cuerpos de los animales y las personas, así como sus refugios.

Resultado de imagen de La energía del Sol sustentó la vida del planeta Tierra

             La energía siempre sustentó la vida en nuestro planeta desde hace muchos millones de años

La radiación también sustenta la vida porque al calentar los océanos, las rocas y los suelos, impulsa funciones fundamentales en la biosfera, tales como el ciclo del agua, la formación de los vientos, el mantenimiento de la temperatura adecuada para que funcionen los procesos metabólicos y la descomposición orgánica. Además, es la causante de la erosión que transporta los nutrientes minerales para la producción primaria de materia orgánica.

A la larga, para mantener el equilibrio térmico del planeta, la radiación solar absorbida debe emitirse al espacio, pero la longitud de onda está drásticamente desplazada hacia el infrarrojo. A diferencia de la radiación de longitud de onda corta emitida por el Sol, que está determinada por la temperatura de la fotosfera (5.800º K), la radiación terrestre corresponde muy aproximadamente a las emisiones electromagnéticas de un cuerpo negro a 300º K (27ª C). El máximo de emisión de esa esfera caliente está en la zona del IR a 966 μm. Como el 99% de la radiación solar llega en longitudes de onda menores de 4 μm y el espectro terrestre apenas alcanza los 3 μm, el solapamiento de frecuencias entre estos dos grandes flujos de energías es mínimo.

                              Reacción protón-protón para formar helio 4 liberando energía

Es verdaderamente maravilloso que hallamos podido llegar a comprender los procesos complejos que, mediante hilos invisibles de energía, hacen posible que la vida en la Tierra esté presente, que los procesos esenciales del planeta sean posibles gracias al Sol y que, escenarios maravillosos como una puesta de Sol o una Aurora Boreal, sean todos la consecuencia de que, la energía, está presente en el Universo, en nuestro mundo, en nuestras vidas.

emilio silvera

La Tierra se recicla de muchas maneras

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en La Tierra y su energía    ~    Comentarios Comments (0)

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Una Gran Nube de Polvo y Arena Cubre España y Portugal

Una intensa nube polvo y arena está cruzando la Península Ibérica. El astronauta británico Tim Peake de la Agencia Espacial Europea (ESA), sacó esta foto con su cámara desde la Estación Espacial Internacional donde puede verse la nube de polvo y arena que está cruzando España y Portugal. Esta noticia aparece en los medios todos los años.

 

 

Una Gran Nube de Arena y Polvo Cubre España y Portugal

 

La gran nube de polvo y arena sobre España y Portugal captada desde la Estación Espacial Internacional por el Astronauta de la ESA Tim Peake.
Image Credit: NASA /ESA/ Tim Peake

 

Este fenómeno conocido con el nombre de “Calima“, transporta polvo y arena en suspensión procedentes del desierto del Sáhara, que viaja por el cielo alcanzando grandes distancias, incluso en ocasiones alcanzando otros continentes como Europa y América. Cuando la calima se instala sobre una zona la sensación es la de estar cubiertos por una niebla rojiza, sobretodo observaremos un cielo borroso muy rojizo, pero que nunca debemos confundir con las nubes rojizas del atardecer.

                        Esta imagen de Sevilla fue tomada en uno de esos días de espesa calima

Cuando viene acompañado por lluvia puede provocar la “lluvia de barro“, incluso puede teñir la nieve dándole un aspecto rojizo.

Bueno, el ñino salió a comprar el Pan y, la lluvia junto con la calima del Sahara, le jugó una mala pasada

Puede producir molestias en ojos nariz o garganta, no obstante, también trae grandes beneficios, pues aporta una gran fuente de nutrientes muy beneficiosos para el campo.

Si observamos hoy el cielo en España o Portugal nos recordará mucho al cielo de Marte.

Se espera que vaya remitiendo a lo largo de estos días.

Noticias NASA