Astronomía

Gradiente de temperatura en estrellas

Gradiente de temperatura en estrellas


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Es un hecho bien conocido que en las estrellas existe un gradiente de temperatura. La razón de la observación se debe a que percibimos líneas espectrales en el espectro que de otra manera sería continuo de una estrella. Si este no fuera el caso y, por lo tanto, si la temperatura fuera uniforme, entonces la absorción y la emisión se cancelarían entre sí y observaríamos un efecto neto que da como resultado un espectro continuo. Ahora mi pregunta es: ¿cuál es la explicación física de este gradiente de temperatura?


Estás hablando de los gradientes de temperatura en la atmósfera de una estrella, ahí es donde se originan las líneas de emisión y absorción. Este es un asunto mucho más complicado que la propia estrella.

La temperatura de una estrella debe aumentar desde su superficie hacia abajo.
Este es un simple resultado del hecho de que la estructura estelar está dada por gradientes de presión que equilibran la fuerza de la gravedad. Podemos expresar esto a través de la ley del equilibrio hidrostático.
$$ frac { parcial P} { parcial r} = -g (r) rho $$ que es una aproximación bastante buena a la realidad en la mayoría de los casos.

El gradiente de presión luego se traduce en un gradiente de temperatura, ya que la presión se origina en el movimiento térmico de las partículas, formalizado como la ley de los gases ideales.
$$ P = frac { rho k_B T} { mu} $$.

Entonces, donde haya gravedad distinta de cero y ninguna otra fuerza en un medio gaseoso, habrá gradientes de temperatura.

En una atmósfera, las cosas dependen de qué tan eficiente sea el enfriamiento del gas. En medios muy delgados, como en la Tierra o en cualquier planeta / estrella, el enfriamiento de la exosfera es lo suficientemente ineficiente como para hacer que los gradientes de temperatura desaparezcan.


El equilibrio de fuerzas solo te dice que el presión debe disminuir hacia afuera, la causa de la disminución temperatura es la naturaleza del transporte de calor y el requisito de que aumente la entropía. Por lo tanto, el calor siempre se transporta de una T más alta a una T más baja, y una estrella debe transportar calor exterior porque su superficie va perdiendo calor ante la frialdad del espacio. Eso requiere que la temperatura baje a medida que sale, siempre que pase el mismo calor de una capa a otra y la termodinámica del transporte de calor gobierne la situación.

Se señaló que las atmósferas de baja densidad de las estrellas pueden hacer que su temperatura aumente con la altura, como también lo hace la estratosfera de la Tierra, sin embargo, el transporte neto de energía todavía es hacia afuera. Para evitar la disminución de la entropía, esto requiere que se deposite más calor en las capas calientes del que se extrae de las más frías que se encuentran debajo, por lo que el calor vertido en lo alto de la atmósfera tiene que provenir de algún otro lugar, que no sean las capas frías. Eso es lo que no puede suceder en las profundidades de la estrella: el calor no "viaja libremente" para pasar ciertas capas, pasa de una capa a otra, el mismo calor. Pero cuando hay formas de verter calor en capas más altas sin extraerlo de las más frías de abajo, entonces la temperatura puede aumentar. (En la estratosfera de la Tierra, el calor adicional proviene de la luz solar absorbida por el ozono, y en la cromosfera del Sol, el calor adicional proviene de los campos magnéticos y los movimientos del plasma, que atraviesan las capas inferiores sin ser absorbidos).


¿Qué es un gradiente de temperatura? (con foto)

Un gradiente de temperatura es la variación gradual de la temperatura con la distancia. La pendiente del gradiente es consistente dentro de un material. Se establece un gradiente cada vez que dos materiales a diferentes temperaturas están en contacto físico entre sí. Las unidades de medida de los gradientes de temperatura son grados por unidad de distancia, como ° F por pulgada o ° C por metro.

Muchos gradientes de temperatura existen de forma natural, mientras que otros se crean. El gradiente de temperatura más grande de la Tierra es la propia Tierra. La temperatura del núcleo de la Tierra se estima en aproximadamente 9,000 ° F (5,000 ° C), es de 6,650 ° F (3,700 ° C) en el límite entre el núcleo y el manto, mientras que la temperatura de la corteza es de aproximadamente 200 ° F (93 ° C). C). Cada capa tiene un gradiente de temperatura de una pendiente diferente, dependiendo de la conductividad térmica de la capa.

No existe un gradiente de temperatura entre la Tierra y el sol porque no hay atmósfera entre ellos. La capacidad calorífica es la capacidad de un material para mantener el calor. Una aspiradora tiene una capacidad calorífica cero.

La convección destruye un gradiente térmico. Al calentar una olla de salsa, el líquido más cercano al quemador se vuelve más caliente. Cuando se agita, el líquido caliente se mezcla con el líquido más frío, el calor se distribuye uniformemente y el gradiente de temperatura se anula.

Si no se agita, la transferencia de calor por convección hará que el líquido caliente suba y el frío disminuya, y se producirá algo de circulación, aunque no será tan eficaz como la agitación activa. Con el tiempo, las fuerzas de conducción que transfieren calor desde el fondo establecerán un equilibrio con las fuerzas convectivas que hacen que el agua circule. Si la fuente de calor es baja, la circulación será lenta, puede existir un gradiente de temperatura pronunciado y la salsa puede quemarse en el fondo. Si el calor es alto, la salsa hervirá, la transferencia de calor por convección será alta y el gradiente de temperatura será cercano a cero.

El aislamiento se utiliza para retardar la transferencia de calor colocando material con baja conductividad térmica junto a la fuente de calor. El aislamiento ayuda a mantener el gradiente térmico entre el objeto aislado y las condiciones ambientales. El café se mantendrá más caliente en una taza de espuma que en una taza de aluminio porque la espuma conduce el calor con menos facilidad. Asimismo, el bebedor de café puede quemarse algunos dedos al levantar la taza de aluminio porque el gradiente térmico es cercano a cero y la temperatura del exterior de la taza es casi la misma que la del interior de la taza.

Para ser estable, un gradiente térmico debe tener una fuente de calor constante y un disipador de calor disponible. El mantenimiento de gradientes constantes rara vez es importante, excepto cuando se realizan reacciones químicas. Muchos procesos industriales requieren un cuidadoso control del calor. La célula viva también debe mantener controles de calor cuidadosos para un rendimiento óptimo. Si bien los científicos comprenden cómo el cuerpo humano en su conjunto mantiene un gradiente de temperatura entre su núcleo y el mundo exterior, las opciones disponibles para las células individuales son menos claras.


2 respuestas 2

Para un planeta que tiene un gradiente de temperatura, caliente en el centro y más frío en la superficie, ¿por qué vemos líneas de absorción?

El centro caliente envía fotones dentro del espectro del cuerpo negro con las energías apropiadas para excitar los átomos fríos de la superficie, por lo que la curva del cuerpo negro tendrá agujeros, donde la energía de los fotones ha sido absorbida en moléculas de superficie excitantes.

De manera similar, ¿por qué vemos líneas de emisión si el planeta está caliente en la superficie y se enfría a medida que te mueves hacia el centro?

El espectro de cuerpo negro es un espectro continuo de excitaciones térmicas. Aunque existe la probabilidad de que de la cola de alta energía del espectro de energía del cuerpo negro, los electrones de los átomos en la superficie sean llevados a un nivel de energía más alto y luego se relajen de nuevo al estado fundamental emitiendo la línea específica de ese átomo.


Estoy tratando de entender por qué la convección es un modo eficiente de transporte de energía en las capas externas del interior solar.

¿Alguien podría darme un poco de conocimiento?

Los detalles dependen de la opacidad, pero el fenómeno básico puede entenderse sin hacer referencia a lo que está sucediendo con la opacidad (como se explica, por ejemplo, en Kippenhahn y Wiegert, Stellar Structure and Evolution, pág. 75). El punto principal es que, si se considera la estructura interior, admite una tasa de difusión radiativa que determina una luminosidad que la envoltura de la estrella simplemente tendrá que manejar de alguna manera. Una estrella de la secuencia principal no tiene nada drásticamente inusual sucediendo en su envoltura, por lo que realmente no se puede alterar mucho el radio estelar. Dada la luminosidad y el radio, la temperatura de la superficie se transmite más o menos a la envolvente por la ley de Stefan-Boltzmann, por lo que la envolvente solo tiene que lidiar con eso de alguna manera. Cuando la temperatura de la superficie entregada al sobre es grande, no hay problema, pero cuando es más pequeña, hay un problema como veremos.

Ahora, si asume que la envoltura estelar transporta calor predominantemente por difusión radiativa, la estructura de temperatura impuesta no encuentra ninguna dificultad particular si se permite que la temperatura de la superficie sea bastante alta (digamos por encima de aproximadamente 10,000 K cuando ingresa los detalles de la opacidad). Por encima de esa temperatura, resulta que la estructura de la envoltura es bastante insensible a esa temperatura, y la envoltura difunde felizmente cualquier luminosidad requerida porque la energía radiativa se difunde fácilmente cuando la temperatura es alta. (Esto es una consecuencia del hecho de que la densidad de energía permanece alta si la temperatura se mantiene alta, por lo que no necesita mucha velocidad de difusión para obtener la luminosidad). Sin embargo, si su requisito es que la superficie Si la temperatura está muy por debajo de 10,000 K, entonces tiene un problema serio, porque a esas bajas temperaturas, la energía radiativa no se difunde fácilmente; requiere una alta velocidad de difusión porque la densidad de energía, que escala como T ^ 4, es muy baja. De hecho, necesita un gradiente de temperatura más pronunciado que el estable a la convección para sacar la luminosidad. Entonces, la estrella encuentra un modo diferente para transportar el calor, se vuelve inestable por convección y mueve paquetes calientes de gas hacia arriba en lugar de difundir la radiación. Esto también reduce el gradiente de temperatura a algo que evita que la temperatura llegue a cero antes de llegar a la superficie de la estrella (un problema que tiene la difusión radiativa cuando se vuelve ineficaz a una T más baja).


Convección vs radiación en la etapa gigante de las estrellas

La afirmación es engañosa porque la lógica es esencialmente al revés: parece afirmar que las gigantes rojas son más luminosas que las enanas porque son convectivas, pero de hecho son convectivas porque son más luminosas. Entonces, la convección no determina la luminosidad de una gigante roja, pero las gigantes rojas son convectivas porque se ha determinado que su luminosidad es tan alta que la difusión radiativa no puede transportarla, debe ser transportada por convección. Es más, la convección no tiene una eficiencia particular para transportar calor, puede transportar calor con una amplia gama de eficiencias posibles, sea lo que sea que tenga que hacer dada la otra física que realmente establece la luminosidad. Hay una eficiencia máxima posible, que es cuando el gas se convence a la velocidad del sonido, pero pocas estrellas necesitan ser tan convectivas en todo su interior, simplemente no son tan luminosas. La radiación, por otro lado, está limitada por la velocidad a la que la luz puede difundirse, que podría pensar que sería muy rápida dada la velocidad de la luz, pero la velocidad de difusión toma la velocidad de la luz y la divide por la óptica. profundidad, por lo que cuando la profundidad óptica es enorme, puede llevar mucho tiempo difundirse.

Pero la convección tiene un problema: solo ocurre cuando el gradiente de temperatura es lo suficientemente pronunciado como para que la flotabilidad pueda producir un efecto inestable de & quot; volteo & quot;, el efecto & quot; hervir rodando & quot que se ve en el gas de convección. Si el gradiente de temperatura no es lo suficientemente empinado, la convección no se producirá y la radiación llevará la luminosidad de la estrella. Ahí es donde entra la temperatura de la superficie un poco por encima de 2500 K: cuando tienes eso, obtienes un tipo especial de opacidad donde el hidrógeno neutro recoge un segundo electrón ligado, lo que genera el ion & quotH menos & quot, que es bastante bueno para absorber luz ( el electrón extra está unido muy débilmente y es fácil de eliminar del ion mediante la captura de fotones). Esa opacidad "embotella" la radiación y ayuda a imponer un gradiente de temperatura lo suficientemente pronunciado en el que obtendrá convección. Las temperaturas superficiales más bajas para un gas ideal serían inestables: los aumentos de T crearían más H menos opacidad, lo que absorbería más luz y elevaría la temperatura. (Puede obtener temperaturas superficiales más bajas en material degenerado, como enanas marrones y planetas).

Ahora, aunque la convección tiene un límite superior más alto en la cantidad de luminosidad que puede transportar, nunca establece la luminosidad de la estrella, solo lleva la luminosidad que algún otro proceso en la estrella le dice que lleve. Ese `` otro proceso '' puede ser de dos sabores: de afuera hacia adentro, donde las capas superficiales de la estrella determinan la luminosidad y el interior simplemente proporciona esa luminosidad (vía convección), o de adentro hacia afuera, donde algún motor interno determina la luminosidad y la convección lleva. eso, y la superficie solo tiene que lidiar con lo que sea. El caso de afuera hacia adentro es cuando tienes una protoestrella que se está formando por primera vez, que tiene un historial que determina su radio. Como se mencionó, la temperatura de la superficie siempre estará por encima de 2500 K, típicamente más como alrededor de 4000 K en realidad, por lo que si tomamos la temperatura de la superficie como se conoce, podemos determinar la luminosidad a partir del radio de la protoestrella. El radio lo establece el historial de cualquier etapa de contracción en la que se encuentre actualmente la estrella, por lo que esa es la luminosidad & quot; fuera de dentro & quot ;.

Pero usted está preguntando acerca de las gigantes rojas, que tienen su luminosidad determinada de una manera completamente diferente, están `` adentro hacia afuera ''. Su luminosidad está determinada por el hecho de que contienen en sus centros una bola de gas degenerado, que es muy similar a una pequeña enana blanca que vive dentro de una bola gigante de gas ideal unido gravitacionalmente. Esa es una estructura muy especial, y le da a la estrella esencialmente tres piezas diferentes: la enana blanca en el centro tiene una masa que está controlada por la historia de agregar `` ceniza '' nuclear quemada a la enana blanca, y que aumenta con el tiempo. Su radio lo establece la física de la degeneración. Entonces tienes una capa encima de esa enana blanca que es un gas ideal, pero su temperatura está determinada por la gravedad de la enana blanca (a través de algo llamado teorema virial). Esa temperatura se vuelve muy alta a medida que crece la masa de la enana blanca y, de hecho, es lo suficientemente alta como para tener fusión. La velocidad de fusión en esa capa es el motor interno que establece la luminosidad de la gigante roja, y crece con el tiempo simplemente porque la masa de la enana blanca crece con el tiempo, por lo que la temperatura está aumentando, y a la fusión le gustan las altas temperaturas.

Luego llegamos por fin a la envoltura convectiva, la tercera pieza de la gigante roja. Este es un jugador bastante pasivo, solo lleva la luminosidad establecida por ese motor interno sin tener esencialmente ningún efecto en ese motor. Debe hincharse mucho para llegar a las temperaturas frías necesarias para tener H menos opacidad, y por eso la estrella es un `` gigante '' (y recuerde que la luminosidad debe ser llevada a la superficie por la temperatura de la superficie a la cuarta potencia multiplicada por la radio al cuadrado, por lo que si la temperatura de la superficie debe ser baja para obtener la inestabilidad convectiva, el radio debe ser enorme). Entonces, deberíamos decir que la radiación es demasiado lenta para transportar la enorme luminosidad generada por el motor central, y la convección aparecerá y puede transportar casi cualquier luminosidad que necesite, pero esa convección solo restringe la temperatura de la superficie; la luminosidad la establece el física de fusión (a diferencia de las estrellas de la secuencia principal, cuya luminosidad se establece por difusión radiativa), pero esa es otra historia). Luego, la luminosidad y la superficie T se unen para determinar el radio, y resulta muy grande, por lo tanto, una gigante roja.


Disección de modelos defectuosos - La paradoja del gradiente de temperatura solar por Michael Gmirkin

Con el tiempo, las teorías tienden a dejar de considerarse como teórico y empezar a ser considerado como inexpugnable, incuestionable hecho. Sin embargo, incuestionable fundamental supuestos algún día será la ruina de la ciencia.

Una de esas teorías (que se ha solidificado en un "hecho" raramente cuestionado) es el modelo termonuclear del sol. En dicho modelo, una estrella es una bola de gas tan masiva que se aplasta por su propio peso y comienza a sufrir reacciones de fusión en su núcleo.

Este modelo se remonta en gran parte a Sir Arthur Eddington, un astrofísico británico destacado a principios del siglo XX.

Un crítico cauteloso podría señalar que, según Karl Popper, solo requiere uno sustanciada 'objeción fatal' a falsificar un modelo.

Es el observable perfil de temperatura del sol en desacuerdo con el teóricamente esperado perfil de temperatura? Si es así, ¿constituye esto una contradicción directa y, por lo tanto, una falsificación de la teoría estelar existente?

En pocas palabras, el modelo termonuclear de estrellas presentado por Eddington, et al requiere fusión nuclear en el núcleo de la estrella. Esa fusión libera energía, genera temperaturas extraordinariamente altas y, por lo tanto, equilibra térmicamente los gases de una estrella contra el colapso debido a la autogravitación. En teoria.

Por lo tanto, los astrofísicos actualmente esperan del Sol:

Pero haz un simple mundo real observaciones respalda lo grandioso teorías actualmente en boga?

Ellos no hacer.

Dejando de lado cualquier modelo específico de antaño, permítanos objetivamente observar lo que podamos del perfil de temperatura de la atmósfera solar.

Las manchas solares se producen cuando vastos campos magnéticos atraviesan la superficie del sol, empujando la capa superior del cuerpo del sol (la fotosfera), exponiendo el interior solar más frío (por lo tanto, más oscuro).

("Enfriador" es un nombre inapropiado, nada en el sol puede llamarse "frío". Pero cuando se compara con la temperatura fotosférica de aproximadamente 6.000 Kelvin, el interior de una mancha solar puede ser tan bajo como 3.000 Kelvin).

Por qué las manchas solares deben revelar un interior más oscuro y "más frío" del sol, cuando se supone que el interior del sol es más caliente que la superficie (debido a que el horno termonuclear genera temperaturas extremas que deberían difundirse hacia afuera), es un misterio.

Si las manchas solares abren un agujero a un nivel más profundo del sol, y se supone que los niveles más profundos son más calientes, ¿no deberían las manchas solares ser más brillantes y calientes que la fotosfera circundante?

El hecho de que las manchas solares expongan un interior más oscuro y frío parece desmentir el sol termonuclear.

Dicho francamente, el observable temperaturas de la atmósfera solar invertir el perfil de temperatura del sol teóricamente esperado. Mientras que el modelo termonuclear del sol espera una fusión en el núcleo (extremadamente caliente) y un gradiente de temperatura en fuerte descenso que se extiende hacia afuera, ¡las observaciones muestran precisamente lo contrario! La capa más externa del sol (directamente observable) es el mas caliente, mientras que la capa más interna del sol (de nuevo, directamente observable) es el mas guay.

Uno se pregunta si Sir Arthur Eddington habría especulado sobre el modelo termonuclear de estrellas si las observaciones modernas de las temperaturas en la atmósfera solar hubieran estado disponibles durante su época.

La observable perfil de temperatura, yuxtapuesto con el teórico ¡Las disputas del modelo termonuclear del Sol y las estrellas conducen a una paradoja de proporciones termodinámicas!

Es decir, las observaciones del mundo real muestran que la atmósfera solar es más caliente por fuera y más fría por dentro. Se espera que el sol termonuclear sea más caliente por dentro y más frío por fuera. En teoria. Si se superponen los dos modelos, se llega a un estado contradictorio con un núcleo caliente y una corona caliente y una temperatura mínima en la fotosfera (o posiblemente justo debajo de ella). Ese parece ser precisamente el predicamento en el que se encuentran atascados los astrofísicos.

¿Cómo se puede mantener tal temperatura mínima entre dos regiones extraordinariamente calientes? ¿No debería el calor difundirse desde ambas regiones calientes adyacentes hacia la región fría, calentándola así hasta que desaparezca por completo?

Precisamente esta pregunta la planteó el ingeniero eléctrico Ralph Juergens en 1972:

Hasta la fecha, no parece haber una buena respuesta sobre por qué debería existir, y mucho menos persistir, un mínimo de temperatura tan contradictorio, bajo un modelo termonuclear del sol. Su misma existencia parecería ser un dato falsificador para el modelo termonuclear que lo generó.

Volviendo a Sir Arthur Eddington, una vez enmarcó el debate sobre la constitución de las estrellas así:

Sir Arthur Eddington eligió el camino anterior, creyendo que las estrellas albergan internamente la gran mayoría de la energía que gastan a lo largo de su vida. Descartó, aparentemente sin prejuicios ni pensamientos adicionales, la alternativa.

Como en respuesta a Eddington, la cita de Ralph Juergens (arriba) continúa de la siguiente manera:

Quizás Eddington tomó el camino del jardín al conjeturar que el horno termonuclear interno es el que hace brillar las estrellas. ¿Es posible que una "radiación sutil que atraviesa el espacio, que las estrellas recogen" sea responsable de mantenerlas encendidas?

Repensar la fuente de energía del sol y las estrellas puede terminar teniendo implicaciones de gran alcance para la astronomía y la cosmología. Quizás es hora de repensar algunas suposiciones fundamentales que subyacen a las teorías astrofísicas modernas y ver qué se mueve a la luz de las observaciones actuales.


Gradiente de temperatura en estrellas - Astronomía

  1. radiación--- los fotones (paquetes de energía) se filtran hacia afuera al dispersar las partículas de gas. La naturaleza prefiere así.
  2. conducción--- Los átomos que se mueven rápidamente chocan con otros átomos impartiéndoles algo de su movimiento. Esto es utilizado por metales como el cobre o el aluminio para transferir calor (por ejemplo, desde el elemento de la estufa a la comida), pero no es utilizado por un gas ya que las moléculas de gas están muy separadas unas de otras. El proceso de conducción es demasiado ineficaz en un gas del que preocuparse. (Esta es la razón por la que puede meter la mano en el horno mientras algo se hornea y no quemarse la mano inmediatamente si no toca nada, especialmente los lados metálicos y la rejilla).
  3. convección--- grandes partes del ciclo de la atmósfera entre regiones frías y regiones cálidas. El aire caliente de abajo se expande y su densidad disminuye por lo que sube. El aire más frío y denso cae y desplaza el aire caliente. Cuando una burbuja caliente se eleva, se enfría al ceder su energía térmica al entorno frío. Luego, el gas caerá y se calentará cuando entre en contacto con la superficie cálida o el interior.

Además de transportar energía hacia el exterior, la convección también distribuye el calor. a través de el planeta, desde las regiones ecuatoriales cálidas iluminadas durante el día hasta las latitudes más frías más cercanas a los polos y al lado nocturno del planeta. El aire cálido en las regiones ecuatoriales se eleva y el aire más frío de otras partes del planeta fluye a través de la superficie hacia el ecuador para reemplazar el aire ascendente. Todos los vientos en la atmósfera de un planeta se deben a procesos convectivos. Si el planeta está girando lo suficientemente rápido, el movimiento del aire puede ser desviado hacia los lados por el efecto Coriolis (ver también la sección de Galileo en el capítulo de historia).

Si una bolsa de aire del polo se mueve hacia el ecuador sin cambiar de dirección, la Tierra rotará debajo de ella. El paquete de aire tiene un movimiento lateral igual a la velocidad de rotación en el polo, pero las partes de la superficie de la Tierra más cercanas al ecuador tienen una mayor velocidad de rotación porque están más alejadas del eje de rotación. Para un observador en el suelo, el camino parece desviado hacia el oeste. El efecto Coriolis en un cuerpo esférico es en realidad un poco más complicado que la desviación este u oeste descrita anteriormente, pero un tratamiento más completo del efecto Coriolis requiere una física de nivel superior más allá del alcance de este libro de texto. Para nuestros propósitos, es suficiente decir que los objetos se desviarán hacia la derecha en el hemisferio norte y hacia la izquierda en el hemisferio sur, incluso para objetos que viajen hacia el este o hacia el oeste. Las deflexiones de Coriolis producen los patrones en espiral de las tormentas ciclónicas (vientos en espiral hacia adentro en sentido contrario a las agujas del reloj en el hemisferio norte y en el sentido de las agujas del reloj en el hemisferio sur) y el flujo de aire se aleja de las regiones de alta presión (los vientos giran en el sentido de las agujas del reloj en el hemisferio norte y en sentido contrario a las agujas del reloj en el hemisferio sur).

Algunas animaciones agradables de la circulación de aire alrededor de las regiones de baja y alta presión están disponibles en el sitio Visible Earth de la NASA: animación de circulación de baja presión - animación de circulación de alta presión.

La rápida rotación de un planeta también complicará el flujo convectivo de energía desde el ecuador cálido hacia los polos fríos. En un planeta con poca o ninguna rotación (Venus, por ejemplo), la circulación del aire es muy simple: el aire caliente se eleva a lo largo del ecuador, fluye a grandes altitudes hacia los polos y cerca de la superficie regresa al ecuador. En un planeta con rotación rápida (la Tierra o los planetas jovianos, por ejemplo), los vientos superficiales de los polos se desvían en remolinos a gran escala con cinturones de viento y calma. A grandes altitudes, bandas estrechas de vientos de alta velocidad llamados corrientes en chorro se forman y juegan un papel importante en el clima superficial. Las masas de tierra que sobresalen del flujo de aire interrumpen la circulación en espiral y proporcionan un lugar para que las tormentas gasten su energía.

Los planetas jovianos que giran rápidamente tienen efectos Coriolis mucho mayores. Las poderosas y estrechas corrientes en chorro desvían las nubes hacia cinturones que se mueven paralelos a los ecuatorianos planetarios. Los vientos en un cinturón se mueven en la dirección opuesta al cinturón contiguo. Se pueden formar grandes vórtices a partir de la interacción de las correas. Un gran vórtice puede durar décadas, incluso siglos o más porque los planetas jovianos no tienen una superficie sólida para que las tormentas gasten su energía. La Gran Mancha Roja de Júpiter es un ejemplo de un gran vórtice. El doble del tamaño de la Tierra, tiene al menos 400 años.


Imagen de la nave espacial Voyager cortesía de la NASA.

Para la mayoría de los planetas, el Sol proporciona la energía para mantener la temperatura (y la temperatura de la superficie para los planetas terrestres) y para impulsar los movimientos convectivos de la atmósfera. Pero Júpiter, Saturno y Neptuno generan más del doble de calor del que reciben del Sol. La mayor parte de esta energía es el calor sobrante de cuando los planetas se formaron hace 4.600 millones de años. A medida que el material se acumulaba en los planetas en formación, se calentaba cuando la energía era liberada por el material que caía en el campo de gravedad del planeta. Todos los planetas estaban lo suficientemente calientes como para ser líquidos. Los materiales más pesados ​​y densos (como el hierro y el níquel) se separaron de los materiales más ligeros (como el silicio, el hidrógeno y el helio) y cayeron hacia los núcleos de los planetas. El proceso llamado diferenciación liberó más energía gravitacional y calentó aún más los planetas. Debido a su gran tamaño, los planetas jovianos aún retienen gran parte de su calor de formación inicial y esa energía es responsable de los espectaculares patrones de nubes. En el caso de Saturno, es posible que el proceso de diferenciación continúe ya que el helio en el interior se separa del hidrógeno y se hunde hacia el núcleo, una "lluvia de helio". La lluvia de helio es probablemente la razón por la que hay un porcentaje menor de helio en la atmósfera de Saturno que en la atmósfera de Júpiter.

La atmósfera mucho más suave de Urano es el resultado de su menor emisión de calor. La mayor parte del calor dentro de la Tierra y Venus, mucho más pequeñas, se produce a partir de la radiactividad en el material rocoso (de hecho, el mayor calentamiento radiactivo hace mucho tiempo puede haber sido necesario para que los planetas terrestres se diferenciaran). Sin embargo, el calor de Venus y el interior de la Tierra tiene poco o ningún efecto en sus atmósferas porque la corteza es un mal conductor del calor (aunque la convección en sus interiores es responsable de los procesos geológicos que se ven en sus superficies). La energía de la luz solar es lo que determina la temperatura de su superficie e impulsa su clima.

Las atmósferas moderan el calor perdido en el espacio por la noche y protegen la superficie del planeta de la radiación energética como la radiación solar ultravioleta y los rayos X y las partículas cargadas de alta velocidad en el viento solar y la mayoría rayos cósmicos (partículas del espacio de energía extremadamente alta, en su mayoría protones). El planeta Mercurio casi no tiene atmósfera, por lo que hay una diferencia de varios cientos de grados entre los lugares a la sombra y las áreas iluminadas por el sol. El planeta Marte tiene una atmósfera muy fina, por lo que experimenta una caída de temperatura de más de 100 grados cuando llega la noche. Los seres humanos que aterrizan en la superficie marciana deberán lidiar con el frío extremo de la noche y deberán protegerse de la dañina radiación solar durante el día. La atmósfera de la Tierra es lo suficientemente espesa como para que la diferencia de temperatura entre la noche y el día sea como máximo de unas pocas decenas de grados. Nuestra atmósfera también bloquea la luz de alta energía como los rayos UV y los rayos X y las partículas del viento solar. ¡Algunas partículas de rayos cósmicos tienen una energía lo suficientemente alta como para penetrar la atmósfera e incluso varios metros de roca! Si un rayo cósmico incide en el ADN de las células, la estructura del ADN se puede alterar. Los rayos cósmicos son responsables de algunas de las mutaciones genéticas en la vida.


Acústica, Dr. William Robertson

Descripción general: Simulaciones y experimentos informáticos en band gap acústico y metamateriales acústicos.

Ocupaciones: Medidas acústicas experimentales mediante la técnica de respuesta al impulso. Los experimentos generalmente exploran sistemas dispuestos de resonadores que están diseñados para manipular las propiedades de la propagación de ondas sonoras, incluida la transmisión acústica extraordinaria, lentes acústicos y la realización de velocidades de grupo acústicas rápidas y lentas. Los experimentos se diseñan e interpretan mediante simulaciones por ordenador en MATLAB y COMSOL.

Antecedentes estudiantiles mínimos: Matriculado en Física Moderna. La experiencia de programación es una ventaja.


Modelo II

En este modelo existe la creación de calor dentro de la materia estelar. Existe un equilibrio entre las fuerzas debidas a la gravitación y el gradiente de presión y se supone que la ley de los gases ideales se aplica como en el Modelo I, pero la temperatura no es uniforme. Las condiciones de estado estacionario requieren que el calor creado dentro de la estrella se transfiera a la superficie y esto requiere un gradiente de temperatura radial.

La energía térmica que atraviesa una superficie es proporcional al área multiplicada por el gradiente de temperatura. El factor de proporcionalidad es negativo porque el calor se transfiere en la dirección en que la temperatura está disminuyendo. El flujo de salida neto de un volumen infinitesimal es, por lo tanto, proporcional a la divergencia del gradiente de temperatura. Pero para condiciones de estado estacionario, esta salida neta debe ser igual al calor generado dentro del volumen infinitesimal. Por lo tanto

C & rho - D & nabla 2 T = 0

donde c es la tasa de producción de calor por unidad de masa y D es el coeficiente de conducción de calor. Como en el Modelo I, & rho y T representan la densidad de masa y la temperatura del material de la estrella. Esta ecuación tiene la forma de una ecuación de Poisson. El laplaciano de T, & nabla 2 T, para coordenadas esféricas cuando hay simetría esférica es:

& nabla 2 T = (1 / r 2) & part (r 2 & partT / & partr) / & partr).

La versión completa del Model II es:

GM (r) / r 2 = (1 / & rho) & partp / & partr M (r) = & int0 r 4 & pi & rho (s) s 2 ds p = & rhoRT (1 / r 2) & parte (r 2 & partT / & partr) / & partr) = (c / D) & rho

Esta última ecuación se puede poner en la forma

& part (r 2 & partT / & partr) / & partr) = (c / 4 & piD) & rho4 & pir 2

que tras la integración con respecto a la variable de radio da

R 2 (& partT / & partr) = (c / 4 & piD) & int0 r & rho4 y pis 2 ds = (c / 4 y piD) M (r)

M (r) / r 2 = (c / 4 & piD) (& partT / & partr) Y M (r) / r 2 = (1 / G) (1 / & rho) (& partp / & partr) por lo tanto (Gc / (4 & piD)) & partT / & partr = (1 / & rho) (& partp / & partr)

Dado que de la ecuación del gas ideal

& partp / & partr = RT & part & rho / & partr + R & rho & partT / & partr y por lo tanto (1/&rho)(&partp/&partr) = RT(1/&rho)(&part&rho/&partr) + R&partT/&partr it follows that &gamma&partT/&partr = RT(1/&rho)(&part&rho/&partr) + R(&partT/&partr) y por lo tanto (&gamma-1)(1/T)&partT/&partr = (1/&rho)&part&rho/&partr

This last equation above implies that

&rho/&rho0 = (T/T0) &gamma-1

where &rho0 and T0 represents a standardized density and temperature.

Because from the ideal gas equation

(p/p0) = (&rho/&rho0)(T/T0) it follows that (p/p0) = (T/T0) &gamma

The temperature profile is determined thus from the Poisson equation

&nabla 2 T = CT &gamma


Temperature gradient in stars - Astronomy

Mirages: Can Mirages Explain UFO Reports?

From (http://www.bufora.org.uk/archive/mirages.htm) on April 29, 2002.

What are mirages and how do they appear?

A mirage is usually defined as a phenomenon where light is reflected from a shallow layer of very hot air in contact with the ground, the appearance being that of pools of water in which inverted images of more distant objects are seen. This is the inferior mirage, which occurs where a very hot plane surface, such as a desert or a roadway, heats a layer of air very close to it. The temperature gradient in the thermocline (the region of rapidly changing temperature) between this hot layer and cooler air above it is so steep as to constitute a discontinuity. This discontinuity acts as a mirror (or caustic) for light striking it above a critical (large) angle to the normal. In this way one can see distant objects such as the sky or vehicles reflected in the surface.

How can this explain UFO reports? It is not well known that these discontinuities can form in the upper air as the result of a temperature inversion - that is where a layer of warm air lies over cold air. Temperature inversions form almost every clear night when the ground cools by radiation more rapidly than the air above. Strong inversions are more likely to form a discontinuity and lead to mirages. These are called superior mirages, that is a mirage seen above the source or object being reflected (see Figure 1). In this way an inverted image of some bright but distant source may be seen in the sky. The definition of a superior mirage needs to be extended to cover one or more displaced images of a very distant but bright light source, usually distorted and brightened. Naturally this must be considered a major alternative to the ETH and a strong contender for explaining UFO reports. Figure 1: How the rays from a source (S) are reflected by the caustic in the thermocline of a temperature inversion if they strike it at or above the critical angle (c). Ray 4 enters at below the critical angle and so penetrates the caustic and undergoes normal gradual refraction.

Where the source is already in the sky, for example, an astronomical object, the image may be elevated, considerably so where the thermocline is curved. Non?horizontal thermoclines may displace the image laterally, and moving thermoclines may produce a moving image. Because an inversion forms in a fluid (air), the image can take various shapes and alter its shape with time. Consequently superior mirages can be unusual and protean.

Not all mirages are reflections some are caused by abnormal refraction. If a temperature inversion forms over a very wide area, say over a cold ocean or ice field, and the temperature gradient is strong enough, light can be ducted around the curvature of the Earth, so allowing one to see an image of an astronomical object that is actually below the horizon. This is the 'Novaya Zemlya' mirage. The light in such a mirage can be ducted for hundreds of kilometres and the image may be distorted. It may also change shape and/or colour and be very bright. Light striking the discontinuity below a critical (large) angle to the normal, will not be reflected, but will pass through it and be refracted (Figure 1). An observer above the thermocline may then see a bright source elevated above its normal position.

Mirage images can consist of double images, with an upright image above the inverted one. This may be due to light penetrating the thermocline and being bent back down towards the observer (as shown in Figure 1). Where the thermocline is low over the source, the separation of the two images will be large. However, as the height of the thermocline increases, the two images can merge, making it difficult to recognize the image (see Figure 2). There is some reason to believe that each mirage image can split in the plane of the inversion, creating two separate images if this occurs when there are already two images, the result will be four images of the same object!

Figure 2: One means by which the twin images of a mirage can be formed. Image Y1 is formed by reflection from the discontinuity in the thermocline (T) of the inversion. At P reflection ceases because the critical angle is not exceeded and the observer sees a refracted (upright) image (Y2). It can be seen that, as the height between the object (X) and the inversion increases, the two images will merge, eventually disappearing. Conversely, as the height decreases, Y1 and Y2 separate. If T is very shallow, Y2 will not appear. Drawn with exaggerated vertical scale for clarity.

Mirage images can be greatly enlarged and/or distorted by atmospheric lens effects: the more distant the object, the greater the magnification (because of the greater size of the atmospheric lens). Sources outside the atmosphere may be subject to the greatest magnification among these, the commonest are astronomical sources. It may be expected therefore that the largest and most common mirages will be those of astronomical objects at low altitude. Magnification also increases as the source aligns with the thermocline. This means that, as the disc of an astronomical object approaches the thermocline, the two images enlarge and merge until they form a classic 'flying saucer' shape (see Figure 3). The two images may not always be the same size. Figure 3: A diagram showing how the two images of an astronomical body in a mirage can appear with different separation. As the images merge and enlarge, they form a classic 'flying saucer'.

Some mirage images of astronomical objects may display clusters of lights, perhaps multiple images of the object, and it is common for mirage images to shimmer. The enlargement of an astronomical object in a mirage will make its intrinsic colour more apparent, although differential refraction may produce several different colours at once, spatially separated. In a statement submitted to a symposium on UFOs organized by a committee of the US House of Representatives in 1968, astronomer Donald Menzel explained how strange an astronomical mirage could appear: "Sometimes a layer of warm air, sandwiched between two layers of cold air, can act as a lens, projecting a pulsating, spinning, vividly colored, saucer?like image of a planet. Pilots, thinking they were dealing with a nearby flying object, have often tried to intercept the image, which evades all attempts to cut it off. The distances may seem to change rapidly, as the star fades or increases in brightness. Actual 'dog fights' have been recorded between confused military pilots and a planet. I myself have observed this phenomenon of star mirage. It is both realistic and frightening." This is a reference to Menzel's own observation of a 'flying saucer' when he was flying over Alaska on a military mission in 1955. The object, which appeared to be flying alongside his aircraft, was complete with flashing red and green lights, a 'lighted propeller' on top and with a silvery metallic sheen. Later he identified it as a mirage of the bright star Sirius although it appears that it was actually a mirage of the planet Saturn.

UFO reports explained by mirages Surprisingly, and significantly, the very first 'flying saucer' report, that by Kenneth Arnold in 1947, can be explained in this way. He reported seeing a chain of nine peculiar 'aircraft' flying near Mount Ranier in Washington state (USA). They all moved together and occasionally flashed very brightly. However analysis shows that the apparent movement was entirely due to his own, just as a low moon will appear to follow you across a stationary landscape. All very distant objects at low altitude will appear to move because their direction does not change as that of a nearer object would. In this case, the source was nine snow-capped peaks in the Cascade Range over 100 kilometres away. In the bright sunlight, mirages of them were formed by temperature inversions over two deep river valleys between Arnold and the mountains. Where the inversions were strong, the mirages of the peaks flashed brightly. It appears that Arnold was not familiar with mirages, but this is true of almost all pilots.

In the right circumstances, any bright surface object can produce a mirage. On 17 November 1986, a Japanese freighter aircraft had crossed the North Pole and was heading SW toward its next stop, Anchorage in Alaska. Suddenly the crew were confronted by clusters of lights just ahead of them. They assumed that the lights were the exhausts of some unidentified aircraft and tried in vain to evade them. Gradually the mysterious lights shifted to port and the captain was sure he could make out the shape of a huge UFO alongside them. The incident was reported to the (US) Federal Aviation Administration (FAA), who issued a report on the incident, but without any explanation.

Because the object's direction appeared to move aft with time, it was obvious that the source lay on the ground only a few hundred kilometres away, and because the crew gave good descriptions and bearings to the lights at various times on their route, it was possible to locate its source. This turned out to be the US Army airfield at Delta Junction. The crew's description of the lights exactly matched that of typical runway lights and the FAA reported that a temperature inversion had existed over the area at the time. The 'UFO' was a mirage of the runway lights.

Aircraft headlights are a typical source of mirages. In May 1996, BBC Scotland showed me a video of mysterious lights seen over Inverness a few months earlier. It turned out that they were multiple mirages of the lights of a Nimrod aircraft which regularly trains from RAF Kinloss on the Moray Firth. This phenomenon explains the lights filmed in 1950 over Great Falls (Montana) two jet aircraft were flying about the area at the time but no one seems to have asked if they had their lights on. It also explains the many lights filmed over Tremonton (Utah) in 1952. In that case, there is evidence of several inversions, one on top of the other. A mirage of aircraft lights also explains a report investigated by physicist Bruce Maccabee in 1975: two bright objects 'like bright stars' were seen to the NE of Cheverly (Maryland), just east of Washington DC. They were seen in the general direction of Baltimore?Washington Airport about 34 kilometres away where a Boeing 707 was due to take off about the time of the sighting. Maccabee never considered mirages as an explanation and so failed to explain the report. Given that distant bright objects are often the source of mirages, astronomical objects at low altitude must be strong candidates.

Although the moon has sometimes been responsible, Venus, the brightest planet is the commonest source of such mirages. Indeed it was the object filmed as a UFO by a film crew in an aircraft off New Zealand in December 1978. In the new year, the film was shown on TV all over the world. Although Venus itself was below the horizon, its mirage image was visible via a Novaya Zemlya effect in which the light was ducted several hundred kilometres around the earth due to a temperature inversion over the cold Southern Ocean. It was also the object seen in daylight by forester Robert Taylor at Livingston (Scotland) in November 1979, a case I investigated on the ground. Mirages of Venus explain very many strange UFO reports, including the 1952 Nash/Fortenberry report (USA), the egg-shaped object seen over Anglesey (Wales) in September 1978 and the object seen and report in Todmorden (England) by policeman Alan Godfrey.

Other bright planets at low altitude have also been the source of UFO reports. The most sensational was the mirage of Jupiter reported and photographed by Almiro Barauna from a Brazilian research ship at Ilha da Trindade in the south Atlantic Ocean in January 1958. These are unique photographs, clearly showing the double image which results from the merging of two mirage images (see photo). A mirage of Jupiter was also the object which Capt. Thomas Mantell followed to his death over Kentucky (USA) in January 1948 and which Lt George Gorman tried to catch over Fargo (N. Dakota) in October the same year.

Two enlargements of the mirage of Jupiter photographed by Almiro Barauna at Ilha da Trindade (APRO). A mirage of Saturn was the object which scared young Ronald Johnson at his parents' farm near Delphos (Kansas) in November 1971. Mirages of Mars and Mercury have also produced strange UFO reports. Sometimes several planets together have been involved, as in the 1959 Gill case from Papua-New Guinea. Bright stars at low altitude can also stimulate mirages, but not necessarily only at night.

Sirius, the brightest star, is often responsible, as at Kirtland AFB in New Mexico in November 1957, when it was thought to be an object trying to land at the base. But it is the second-brightest star, Canopus, which has caused more reports. A mirage of Canopus was the object reported by police patrolman Lonnie Zamora over Socorro (New Mexico) in April 1964. This appears to have been caused by an inversion over the Rio Grande valley, south of the town. Astronomer Allen Hynek frequently challenged sceptics to explain this report, which he regarded as the epitome of the UFO phenomenon, apparently unaware that it had an astronomical explanation. A mirage of Canopus was also responsible for the sensational Cash/Landrum report from Huffman (Texas) in December 1980. The witnesses were convinced that a UFO had landed on the road ahead of them. A mirage of Canopus appears to have been the object which led to the death of pilot Frederick Valentich over the Bass Strait in October 1978. Disorientated by the mirage and convinced that it was on top of him, he seems to have crashed into the sea. There are 20 first magnitude stars, almost all of which at various times and in various places either directly or via mirage have been responsible for UFO reports.

In Conclusion Not only are mirages an 'alternative to the ETH', they explain reports which are otherwise inexplicable, especially the core reports which remain when all other reports have found an explanation. The result is that no UFO report remains unexplained and there is no mysterious phenomenon behind the reports. Furthermore UFO reports have nothing to do with extraterrestrial intelligence.

Steuart Campbell, 2000 References The UFO Mystery Solved Campbell, S. Explicit Books, 1994


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