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domingo, septiembre 15, 2013

La ventana del Agua


Versión renovada de la publicación original de 2006 en el blog Convolución



Cuando pensamos en asuntos tan trascendentales y apasionantes como el origen de la vida en la tierra leemos sencillos experimentos, argumentos aplastantes que se comprueban día a día y nuevas ideas que asombrosamente se constatan en recónditos lugares de la tierra donde las condiciones son extremas.


Siempre aparece una pieza clave: el agua.


El agua es genial, sencillamente. Es el líquido más común que tenemos, el más estudiado y el que posee más aspectos interesantes. Sería interminable examinar una por una todas las propiedades, hoy hablaremos de una, no por todos conocida, que comprobamos todos los días y que ha supuesto cosas importantes: el agua es transparente.

Y esto, ¿qué quiere decir? ¿Es tan importante?



Un matiz: los físicos llamamos luz a cualquier onda electromagnética (desde ondas de radio, microondas, ultravioleta, el color verde, los rayos X, o un rayo gamma súper mortífero del espacio exterior), es un vicio que nos encanta.

Antes un pequeño repaso sobre la luz, la frecuencia y la absorción. La luz, como toda onda, tiene dos aspectos importantes:

  • La longitud de onda (λ): lo larga que es. Una ola de la playa es una onda y normalmente tiene una longitud de... quince metros, en los días calmados, aunque si lo calculamos mal acabamos comprobando un hecho interesante: por cada litro de agua hay 35 gramos de sal, que sabe muy mal.
  • La frecuencia (ν): el número de veces que hay una ola en cada rato. Lo medimos con respecto a los segundos, pero para que nos llamen raros decimos Herzios.
Y resulta que en la luz estas dos cosas multiplicadas son igual a la velocidad, que como sabemos es algo maravillosamente rápido y constante, y la llamamos c. Así pues:


λ·ν = c/n


n es el índice de refracción del medio (el aire, al agua, donde está nuestra onda) como el aire y el vacío tienen n casi igual a 1, pues lo de arriba es aún más fácil.


Ahora pues, ¿es cierto que la velocidad de la luz es la misma siempre? Ciertamente no. En el agua la luz va más lenta, y más lenta aún en el diamante. ¿Por qué? Sencillo: la luz es el maravilloso resultado de haberse puesto de acuerdo los campos eléctrico y magnético (un acuerdo de noventa grados) y resulta que al entrar estos dos en sitios como el agua o el diamante, pues se dedican a juguetear con los átomos del lugar, es decir, se retrasan (¡a veces se adelantan!) y la luz va despacito... hasta desaparecer.

El ejemplo es que si nos sumergimos en el mar a solo unas decenas de metros nos encontramos en la noche más absoluta. El agua ha absorbido toda luz, primero las longitudes de onda largas (el rojo, el amarillo) y ello hace que se vea todo azulado, que es el único que sobrevive unos metros más, luego oscuridad.
Otro ejemplo más casero son las fundas de plástico de papelería: con una ante nuestros ojos casi no hay diferencia, con dos comenzamos a notar menos detalles, con seis la cosa está complicada y con veinte el resultado es algo totalmente opaco, el plástico absorbe la luz y en pocos milímetros de grosor ha quedado extinguida.

¿Y bien? Ya nos acercamos. A esto último comentado se le llama índice de refracción y no es más que lo que un material tuerce/absorbe la luz. En el colegio nos enseñan que tuerce (refracta) la luz, pero cuando estudiamos un poco más la física vemos que tiene una componente imaginaria, el coeficiente de extinción, k. Así pues realmente el índice de refracción es n+ik.



Como ya os habréis imaginado cada material tiene su índice de refracción diferente; el zumo de naranja lo tiene alto, porque normalmente no vemos mucho a través de él, especialmente si es natural, y el agua lo tiene bajo, el vidrio también tiene el suyo y si es verde o marrón será también diferente. Un método sencillo para medir el índice de refracción en líquidos es el métodode Pfund, redescubierto hace poco junto con mis colegas Darío y Daniel. (Leemos poco pero pensamos mucho).



Pero no todo es tan sencillo, es mucho más... apasionante. Y es que si la luz va a veces más despacio en algunos sitios que en otros, también los materiales tuercen/absorben más la luz según la luz tenga una longitud de onda u otra. Y esto tiene miga, porque como sabemos la luz natural del sol o la de una bombilla (incandescente) está hecha de muchos colores diferentes, cada uno de ellos tiene una longitud determinada... ¡Cielos! ¿Eso quiere decir que si echamos luz en el agua la parte verde irá más rápido que la violeta? En efecto, las algas no eligen ser verdes o amarillas porque está de moda, saben muy bien lo que se hacen.

Conclusión, el índice de refracción que tuerce/absorbe la luz es diferente en cada material y además depende (entre otras cosas) de la frecuencia de la luz (onda electromagnética).



Así que ya no es suficiente con lo que estudiamos en la escuela: el índice de refracción del agua es 1.33 y el del cristal es 1.5 (más o menos). Esos valores son correctos para las longitudes de onda de la luz visible. Pero no será lo mismo para las ondas de radio, el infrarrojo, el ultravioleta o los rayos X.



¿Y entonces cómo es posible que, de entre tantos materiales y líquidos posibles hayamos tenido que dar con uno que absorbe luz, con lo que molaría que no absorbiese nada? Bueno, ante eso hemos de decir que es muy bueno que al agua se porte así. La manera en que el agua absorbe la luz se ve en la gráfica de abajo (pincha para ver más grande), lo más importante de este post. Observadla un rato.



El eje vertical cuanta muestra energía que absorbe el agua a la onda electromagnética por centímetro de camino que la luz ha recorrido en el líquido.

El eje horizontal nos dice qué tipo de onda electromagnética es, hemos de fijarnos lo poquito que de ese eje corresponde a la luz natural, el resto son cosas que nos suenan, pero que, en efecto, no vemos. Por cierto, a medida que vamos a la derecha las ondas son más energéticas, así que cuidado.

Y es que la madre naturaleza es muy sabia y ha elegido el agua por sus múltiples propiedades (sobre todo químicas). Fijaos en la vertiginosa caída de la absorción del agua justo en el único cachito que corresponde a la luz natural, a los colores (el espectro visible), a lo que nosotros y el resto de animalitos de la tierra pueden ver. ¿Curioso, no? Justo cuando acaba ese espectro visible la absorción aumenta de nuevo muchísimo, protegiendo a quien viva en el agua de rayos más poderosos (a partir de los rayos UV-C la cosa se vuelva casi letal si nos exponemos lo suficiente). A esta zona tan estrecha se le llama la ventana del agua.


Así pues, tenemos suerte de vivir rodeados de agua, la vida no ha escogido el agua por casualidad para ser su lugar indispensable.


De esto y mucho más se dieron cuenta los ingenieros navales durante la II Guerra Mundial: tenían que hacer que los submarinos se comunicasen entre sí y con la base terrestre a miles de kilómetros: obviamente buscaron las frecuencias más bajas, que son las que el agua menos absorbe, las de radio (fijaos en la zona verde, la absorción es muy baja ahí para el agua salada). Joaquín me sugirió un link sobre la comunicación de los U-boot alemanes.


Vale, ¿y esto por qué ocurre? ¿Por qué el agua tiene un comportamiento tan extraño en esas frecuencias? Bueno, todo se debe a su forma, sencillamente. La molécula del agua tiene forma de V invertida con los átomos de hidrógeno abajo y el de oxígeno arriba. Resultan que se mueven unos respecto a otras maneras diferentes: los hidrógenos pueden bajar y el oxígeno se queda quieto, o un hidrógeno se acerca mientras el otro se aleja... Vamos, diferentes movimientos (modos normales de vibración) que amenazan con descuajeringar la molécula mediante estiramientos y retorcimientos. Pues resulta que cada uno de esos movimientos lo hace con una frecuencia determinada, y si le apuntamos con luz a esa precisa frecuencia... ¡Zas! Absorbe la energía. Es decir, la respuesta está ahí dentro, en su especial y sencilla estructura. Y claro, el agua al absorber esa onda se calienta (¿os suenan los hornos microondas?)


Por eso los astrónomos y astrobiólogos se dedican a buscar agua en todos lados, porque con un poquito que haya, hay posibilidades de tener algún minúsculo bichito disfrutando de sus propiedades, son posibilidades pequeñitas, cierto, pero existen. Y eso es lo importante.

También podrían existir mundos hechos en base al metano, al amoníaco o al silicio, que son muy majos también... Pero, por supuesto, tienen otras maneras de agitarse por dentro, así que la luz que absorben será de otros colores. Es decir, quizá esos mundos sean enteramente rojos, o amarillos, todo depende de la ventana por donde miremos.

Para saber más:
[1] Classical Electrodynamics, J. D. Jackson, 3rd edition, Willey & Sons
[2] http://www.lsbu.ac.uk/water/anmlies.html


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