Ondas
Una onda es una perturbación que avanza o que se propaga en un medio material o incluso en el vacío. Cuando estas ondas necesitan de un medio material, se llaman ondas mecánicas. Las únicas ondas que pueden propagarse en el vacío son las ondas electromagnéticas.
El sonido es un tipo de onda mecánica que se propaga únicamente en presencia de un medio material.
Un cuerpo al vibrar imprime un movimiento de vaivén (oscilación) a las moléculas de aire que lo rodean, haciendo que la presión del aire se eleve y descienda alternativamente. Estos cambios de presión se trasmiten por colisión entre las moléculas de aire y la onda sonora es capaz de desplazarse hasta nuestros oídos. Las partes de la onda en que la presión aumenta (las moléculas se juntan) se llaman compresiones y aquellas en que la presión disminuye (las moléculas se alejan) se llaman enrarecimientos.
Según la dirección de propagación, clasificamos las ondas en dos tipos:
Ondas
Longitudinales:
Es cuando la vibración de la onda es paralela a la dirección de propagación de la propia onda. Estas ondas se deben a las sucesivas compresiones y enrarecimientos del medio, de este tipo son las ondas sonoras. Un resorte que se comprime y estira también da lugar a una onda longitudinal.
El sonido se trasmite en el aire mediante ondas longitudinales.
Otro ejemplo de onda longitudinal es aquella que se produce cuando se deja caer una piedra en un estanque de agua, Se origina una perturbación que se propaga en círculos concéntricos que, al cabo del tiempo, se extienden a todas las partes del estanque.
Ondas
Transversales:
Donde la vibración es perpendicular a la dirección de la onda. Las ondas transversales se caracterizan por tener montes y valles. Por ejemplo, las ondas que se forman sobre la superficie del agua al arrojar una piedra o como en el caso de una onda que se propaga a lo largo de una cuerda tensa a la que se le sacude por uno de sus extremos.
Características generales o elementos de las ondas
Tren de ondas: Todas las ondas al moverse lo hacen una tras otra como si fuera un tren de donde se coloca un vagón tras otro.
Nodo: Es el punto donde la onda cruza la línea de equilibrio.
Elongación: Es la distancia entre cualquier punto de onda y su posición de equilibrio.
Cresta, monte o pico: es el punto más alto de una onda
Valle: Es el punto más bajo de una onda.
Periodo: Tiempo que tarda en efectuarse una onda o vibración completa, se mide en segundos o s/ciclo se representa con una T mayúscula.
Notemos que el periodo (T) es igual al recíproco de la frecuencia (f) y viceversa.
Amplitud (A): Es la máxima separación de la onda o vibración desde su punto de equilibrio.
La longitud de onda (λ) es la distancia entre dos máximos o compresiones consecutivos de la onda. En las ondas transversales la longitud de onda corresponde a la distancia entre dos montes o valles, y en las ondas longitudinales a la distancia entre dos compresiones contiguas. También podemos decir que es la distancia que ocupa una onda completa, se indica con la letra griega lambda (Λ) y se mide en metros. A la parte superior de la onda se le llama cresta y a la inferior se le llama valle.
Tomaremos como ejemplo ilustrativo una onda transversal.
Frecuencia: Es el número de ondas producidas por segundo. La frecuencia se indica con la letra f minúscula. Se mide en ciclos/ segundo o hertz (Hz). Coincide con el número de oscilaciones por segundo que realiza un punto al ser alcanzado por las ondas.
Las dos magnitudes anteriores, longitud y frecuencia, se relacionan entre sí para calcular la velocidad de propagación de una onda.
Velocidad de propagación: Es la relación que existe entre un espacio recorrido igual a una longitud de onda y el tiempo empleado en recorrerlo.
Se indica con la letra V y es igual al producto de la frecuencia (f) por la longitud de onda (λ).
Matemáticamente se expresa así:
por lo tanto
fórmula que nos indica que la longitud de
onda λ y la frecuencia f son dos magnitudes
inversamente proporcionales, es decir que cuanto mayor es una tanto menor es la
otra.
Periodo: Es el tiempo (en
segundos) que tarda un punto en realizar una oscilación completa al paso de una
onda. Se abrevia con la letra (T).
La frecuencia (f) se relaciona con el periodo según la fórmula
Volvamos
a la fórmula
para
reemplazar en ella f
(frecuencia), y nos queda la fórmula
Lo
cual nos indica que también podemos calcular la velocidad si conocemos la
longitud (λ) y el periodo (en segundos) de una onda.
Como
vemos, podemos relacionar estas magnitudes y conociendo los valores de
algunas de ellas podemos determinar los valores de las otras, usando las
fórmulas indicadas.
Ejemplos
de ondas:
Olas,
que son perturbaciones que se propagan por el agua.
Ondas
de radio, microondas, ondas infrarrojas, luz visible, luz ultravioleta, rayos
X, y rayos gamma conforman la radiación electromagnética. En este caso, la
propagación es posible sin un medio, a través del vacío. Las ondas
electromagnéticas viajan a 299.792.458 m/s en el vacío.
Sonoras
— una onda mecánica que se propaga por el aire, los líquidos o los sólidos.
Ondas
de tráfico (esto es, la propagación de diferentes densidades de vehículos,
etc.) — estas pueden modelarse como ondas cinemáticas como hizo Sir M. J.
Lighthill
Ondas
sísmicas en terremotos.
Ondas
gravitacionales, que son fluctuaciones en la curvatura del espacio-tiempo
predichas por la relatividad general. Estas ondas aún no han sido observadas
empíricamente.
Clasificación de las ondas
En
función del medio en el que se propagan
Tipos
de ondas y algunos ejemplos.
Ondas
mecánicas: las ondas mecánicas necesitan un medio elástico (sólido, líquido o
gaseoso) para propagarse. Las partículas del medio oscilan alrededor de un
punto fijo, por lo que no existe transporte neto de materia a través del medio.
Como en el caso de una alfombra o un látigo cuyo extremo se sacude, la alfombra
no se desplaza, sin embargo una onda se propaga a través de ella. La velocidad
puede ser afectada por algunas características del medio como: la homogeneidad,
la elasticidad, la densidad y la temperatura. Dentro de las ondas mecánicas
tenemos las ondas elásticas, las ondas sonoras y las ondas de gravedad.
Ondas
electromagnéticas: las ondas electromagnéticas se propagan por el espacio sin
necesidad de un medio, pudiendo por lo tanto propagarse en el vacío. Esto es
debido a que las ondas electromagnéticas son producidas por las oscilaciones de
un campo eléctrico, en relación con un campo magnético asociado. Las ondas
electromagnéticas viajan aproximadamente a una velocidad de 300000 km por
segundo, de acuerdo a la velocidad puede ser agrupado en rango de frecuencia.
Este ordenamiento es conocido como Espectro Electromagnético, objeto que mide
la frecuencia de las ondas.
Ondas
gravitacionales: las ondas gravitacionales son perturbaciones que alteran la
geometría misma del espacio-tiempo y aunque es común representarlas viajando en
el vacío, técnicamente no podemos afirmar que se desplacen por ningún espacio,
sino que en sí mismas son alteraciones del espacio-tiempo.
En
función de su dirección
Ondas
unidimensionales: las ondas unidimensionales son aquellas que se propagan a lo
largo de una sola dirección del espacio, como las ondas en los muelles o en las
cuerdas. Si la onda se propaga en una dirección única, sus frentes de onda son
planos y paralelos.
Ondas
bidimensionales o superficiales: son ondas que se propagan en dos direcciones.
Pueden propagarse, en cualquiera de las direcciones de una superficie, por
ello, se denominan también ondas superficiales. Un ejemplo son las ondas que se
producen en una superficie líquida en reposo cuando, por ejemplo, se deja caer
una piedra en ella.
Ondas
tridimensionales o esféricas: son ondas que se propagan en tres direcciones.
Las ondas tridimensionales se conocen también como ondas esféricas, porque sus
frentes de ondas son esferas concéntricas que salen de la fuente de perturbación
expandiéndose en todas direcciones. El sonido es una onda tridimensional. Son
ondas tridimensionales las ondas sonoras (mecánicas) y las ondas
electromagnéticas.
En
función del movimiento de sus partículas
Ondas
longitudinales: son aquellas que se caracterizan porque las partículas del
medio se mueven o vibran paralelamente a la dirección de propagación de la
onda. Por ejemplo, un muelle que se comprime da lugar a una onda longitudinal.
Ondas
transversales: son aquellas que se caracterizan porque las partículas del medio
vibran perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda.
En
función de su periodicidad
Ondas
periódicas: la perturbación local que las origina se produce en ciclos
repetitivos por ejemplo una onda senoidal.
Ondas
no periódicas: la perturbación que las origina se da aisladamente o, en el caso
de que se repita, las perturbaciones sucesivas tienen características
diferentes. Las ondas aisladas también se denominan pulsos.
¿Que es la radiación?
El fenómeno de la radiación consiste en la
propagación de energía en forma de ondas electromagnéticas o partículas
subatómicas a través del vacío o de un medio material. La radiación
electromagnética es independiente de la materia para su propagación, sin
embargo, la velocidad, intensidad y dirección de su flujo de energía se ven
influidos por la presencia de materia.
La radiación propagada en forma de ondas
electromagnéticas (rayos UV, rayos gamma, rayos X, etc.) se llama radiación
electromagnética, mientras que la radiación corpuscular es la radiación
transmitida en forma de partículas subatómicas (partículas α, neutrones, etc.)
que se mueven a gran velocidad en un medio o el vacío, con apreciable
transporte de energía.
Si la radiación transporta energía suficiente como
para provocar ionización en el medio que atraviesa, se dice que es una
radiación ionizante. En caso contrario se habla de radiación no ionizante. El
carácter ionizante o no ionizante de la radiación es independiente de su
naturaleza corpuscular u ondulatoria.
Son radiaciones ionizantes los rayos X, rayos γ,
partículas α y parte del espectro de la radiación UV entre otros. Por otro
lado, radiaciones como los rayos UV y las ondas de radio, TV o de telefonía
móvil, son algunos ejemplos de radiaciones no ionizantes.
Radiación no
ionizante
Son aquellas que no son capaces de producir iones
al interactuar con los átomos de un material. Se pueden clasificar en dos
grandes grupos:
- Los campos electromagnéticos
- Las radiaciones ópticas
Dentro de los campos electromagnéticos se pueden
distinguir aquellos generados por las líneas de corriente eléctrica o por
campos eléctricos estáticos. Otros ejemplos son las ondas de radiofrecuencia,
utilizadas por las emisoras de radio, y las microondas utilizadas en
electrodomésticos y en el área de las telecomunicaciones.
Entre las radiaciones ópticas se pueden mencionar los rayos láser y la
radiación solar como ser los rayos infrarrojos, la luz visible y la radiación
ultravioleta. Estas radiaciones pueden provocar calor y ciertos efectos fotoquímicos
al actuar sobre el cuerpo humano.
Rayos infrarrojos
La radiación infrarroja, o radiación IR es un tipo
de radiación electromagnética y térmica, de mayor longitud de onda que la luz
visible, pero menor que la de las microondas. Consecuentemente, tiene menor
frecuencia que la luz visible y mayor que las microondas. Su rango de
longitudes de onda va desde unos 0,7 hasta los 1000 micrómetros. La radiación
infrarroja es emitida por cualquier cuerpo cuya temperatura sea mayor que 0
Kelvin, es decir, −273,15 grados Celsius (cero absoluto).
Los infrarrojos son clasificados, de acuerdo a su
longitud de onda, de este modo:
- infrarrojo cercano (de
800 nm a 2500 nm)
- infrarrojo medio (de
2.5 µm a 50 µm)
- infrarrojo lejano (de
50 µm a 1000 µm)
La materia, por su caracterización energética emite
radiación. En general, la longitud de onda donde un cuerpo emite el máximo de
radiación es inversamente proporcional a la temperatura de éste (Ley de Wien).
De esta forma la mayoría de los objetos a temperaturas cotidianas tienen su
máximo de emisión en el infrarrojo. Los seres vivos, en especial los mamíferos,
emiten una gran proporción de radiación en la parte del espectro infrarrojo,
debido a su calor corporal.
La potencia emitida en forma de calor por un cuerpo
humano, por ejemplo, se puede obtener a partir de la superficie de su piel
(unos 2 metros cuadrados) y su temperatura corporal (unos 37 °C, es decir 310
K), por medio de la Ley de Stefan-Boltzmann, y resulta ser de alrededor de 1000
vatios.
Esto está íntimamente relacionado con la llamada
"sensación térmica", según la cual podemos sentir frío o calor
independientemente de la temperatura ambiental, en función de la radiación que
recibimos (por ejemplo del Sol u otros cuerpos calientes más cercanos): Si
recibimos más de los 1000 vatios que emitimos, tendremos calor, y si recibimos
menos, tendremos frío. En ambos casos la temperatura de nuestro cuerpo es
constante (37 °C) y la del aire que nos rodea también. Por lo tanto, la
sensación térmica en aire quieto, sólo tiene que ver con la cantidad de
radiación (por lo general infrarroja) que recibimos y su balance con la que
emitimos constantemente como cuerpos calientes que somos. Si en cambio hay
viento, la capa de aire en contacto con nuestra piel puede ser reemplazada por
aire a otra temperatura, lo que también altera el equilibrio térmico y modifica
la sensación térmica.
Radiación visible o luz
Lo que llamamos luz, en realidad es una mínima
parte del espectro de radiación electromagnética. Esta porción corresponde a longitudes
de onda comprendidas entre 0,4 y 0,8 μ (< 780 nm) e impresionan la retina
humana. Este es el rango en el que el sol y las estrellas similares a las que
emiten la mayor parte de su radiación. Probablemente, no es una coincidencia
que el ojo humano sea sensible a las longitudes de onda que emite el sol con
más fuerza. La luz visible (y la luz del infrarrojo cercano) es normalmente
absorbida y emitida por los electrones en las moléculas y los átomos que se
mueven de un nivel de energía a otro. La unidad usual para expresar las
longitudes de onda es el Angstrom. La luz que vemos con nuestros ojos es
realmente una parte muy pequeña del espectro electromagnético, la radiación
electromagnética con una longitud de onda entre 380 nm y 760 nm (790-400 terahercios)
es detectada por el ojo humano y se percibe como luz visible. Otras longitudes
de onda, especialmente en el infrarrojo cercano (más de 760 nm) y ultravioleta
(menor de 380 nm) también se refiere a veces como la luz, especialmente cuando
la visibilidad a los seres humanos no es relevante. Si la radiación tiene una
frecuencia en la región visible del espectro electromagnético se refleja en un
objeto, por ejemplo, un tazón de fruta, y luego golpea los ojos, esto da lugar
a la percepción visual de la escena. Nuestro sistema visual del cerebro procesa
la multitud de frecuencias se refleja en diferentes tonos y matices, y a través
de este, no del todo entendido fenómeno psico-físico, la mayoría de la gente
percibe un tazón de fruta; Un arco iris muestra la óptica (visible) la parte
del espectro electromagnético.
La luz puede usarse para diferentes tipos de
comunicaciones. Las ondas de luz pueden modularse y transmitirse a través de
fibras ópticas, lo cual representa una ventaja pues con su alta frecuencia es
capaz de llevar más información.
Por otro lado, las ondas de luz pueden transmitirse
en el espacio libre, usando un haz visible de láser.
En la mayoría de las longitudes de onda, sin
embargo, la información transportada por la radiación electromagnética no es
detectada directamente por los sentidos humanos. Las fuentes naturales producen
radiación electromagnética en el espectro, y nuestra tecnología también se
puede manipular una amplia gama de longitudes de onda. La fibra óptica
transmite luz que, aunque no es adecuado para la visión directa, puede llevar
los datos que se puede traducir en sonido o una imagen. La codificación
utilizada en estos datos es similar a la utilizada con las ondas de radio.
Radiación Ultravioleta
La radiación solar posee una gran influencia en el
medio ambiente debido a que es un factor que determina el clima terrestre. En
particular la radiación ultravioleta es protagonista de muchos de los procesos
de la biosfera. La radiación ultravioleta es una radiación electromagnética cuyas longitudes de onda van
aproximadamente desde los 400 nm, el límite de la luz violeta, hasta los 15 nm,
donde empiezan los rayos X. (Un nanómetro, o nm, es una millonésima de
milímetro). Este tipo de radiación aunque en cierta forma es beneficiosa, si se
excede los limites admisibles por la vida terrestre puede causar efectos
nocivos en plantas y animales e incluido el hombre en lo que respecta a la piel
y los ojos.
Hay una serie de factores que afectan de manera
directa la radiación ultravioleta que llega a la superficie terrestre, estos
son:
·
Ozono atmosférico
·
Elevación solar
·
Altitud
·
Reflexión
·
Nubes y polvo
·
Dispersión atmosférica
El Índice UV es un parámetro UV para la población.
Se trata de una unidad de medida de los niveles de radiación UV relativos a sus
efectos sobre la piel humana (UV que induce eritema). Este índice puede variar
entre 0 y 16 y tiene cinco rangos:
UVI
|
|
|
|
|
11 ó mayor
|
|
Bajo
|
Moderado
|
Alto
|
Muy alto
|
Extremado
|
Cuanto menor es la longitud de onda de la luz ultravioleta,
más daño puede causar a la vida, pero también es más fácilmente absorbida por
la capa de ozono. De acuerdo a los efectos que la radiación ultravioleta
produce sobre los seres vivos se pueden diferenciar tres zonas en el espectro
de la misma en base a su longitud de onda:
- Ultravioleta
C (UVC)
Este tipo de radiación ultravioleta es la de menor
longitud de onda, cubre toda la parte ultravioleta menor de 290 nm, es letal
para todas las formas de vida de nuestro planeta y en presencia de la cual no sería
posible la vida en la Tierra tal y como la conocemos actualmente, es totalmente
absorbida por el ozono, de modo que en ningún caso alcanza la superficie
terrestre.
- Ultravioleta
B (UVB)
Entre las radiaciones UVA y UVC está la radiación
UVB con una longitud de onda entre 280 y 320 nm, menos letal que la segunda,
pero Peligrosa. Gran parte de esta radiación es absorbida por el ozono, pero
una porción considerable alcanza la tierra en su superficie afectando a los
seres vivos produciendo además del bronceado, quemaduras, envejecimiento de
piel, conjuntivitis, etc. Cualquier daño a la capa de ozono aumentará la
radiación UVB. Sin embargo, esta radiación está también limitada por el ozono
troposférico, los aerosoles y las Nubes.
- Ultravioleta
A (UVA)
La radiación UVA, con mayor longitud de onda que
las anteriores entre 400 y 320 nm, es relativamente inofensiva y pasa casi en
su totalidad a través de la capa de ozono. Este tipo de radiación alcanza los
efectos de la radiación ultravioleta B pero mediante dosis unas 1000 veces
superiores, característica que la convierte en la menos perjudicial. Hay que realizar
la aclaración de que la radiación Ultravioleta A alcanza la tierra con una
intensidad muy superior a la UVB por lo tanto es recomendable Protegerse.
Radiación
ionizante
Son radiaciones con energía necesaria para arrancar
electrones de los átomos. Cuando un átomo queda con un exceso de carga
eléctrica, ya sea positiva o negativa, se dice que se ha convertido en un ión
(positivo o negativo). Entonces son radiaciones ionizantes los rayos X, las
radiaciones alfa, beta y gamma. Las radiaciones ionizantes pueden provocar
reacciones y cambios químicos con el material con el cual interaccionan. Por
ejemplo, son capaces de romper los enlaces químicos de las moléculas o generar
cambios genéticos en células reproductoras.
1)
Radiación alfa
Las partículas alfa son conjuntos de dos protones y
dos neutrones, es decir, el núcleo de un átomo de helio, eyectadas del núcleo
de un átomo radiactivo. La emisión de este tipo de radiación ocurre en general
en átomos de elementos muy pesados, como el uranio, el torio o el radio. El
núcleo de estos átomos tiene bastantes más neutrones que protones y eso los
hace inestables. Al emitir una partícula alfa, el átomo cambia la composición
de su núcleo, y queda transformado en otro con dos protones y dos neutrones
menos. Esto se conoce como transmutación de los elementos. Así por ejemplo,
cuando el uranio 238 cuyo número atómico (Z = número de protones en el núcleo)
es de 92, emite una partícula alfa, queda transmutado en un átomo de torio 234,
cuyo número atómico es de 90
La característica de estas partículas a ser muy
pesadas y tiene doble carga positiva les hace interactuar con casi cualquier
otra partícula con que se encuentre incluyendo los átomos que constituyen el
aire (cuando penetra en un centímetro de aire puede producir hasta 30.000 pares
de iones), causando numerosas ionizaciones en una distancia corta.
Esta rapidez para repartir energía la convierte en
una radiación poco penetrante que puede ser detenida por una simple hoja de
papel sin embargo no son inofensivas ya que pueden actuar en los lugares en que
se depositan ya sea por sedimentación o por inhalación.
2)
Radiación beta
Las partículas beta tienen una carga negativa y una
masa muy pequeña, por ello reaccionan menos frecuentemente con la materia que
las alfa pero su poder de penetración es mayor que en estas (casi 100 veces más
penetrantes). Son frenadas por metros de aire, una lámina de aluminio o unos
cm. de agua.
Este tipo de radiación se origina en un proceso de
reorganización nuclear en que el núcleo emite un electrón, junto con una
partícula no usual, casi sin masa, denominada antineutrino que se lleva algo de
la energía perdida por el núcleo. Como la radiactividad alfa, la beta tiene
lugar en átomos ricos en neutrones, y suelen ser elementos producidos en
reacciones nucleares naturales, y más a menudo, en las plantas de energía
nuclear. Cuando un núcleo expulsa una partícula beta, un neutrón es
transformado en un protón. El núcleo aumenta así en una unidad su número
atómico, Z, y por tanto, se transmuta en el elemento siguiente de la Tabla
Periódica de los Elementos.
Si una partícula beta se acerca a un núcleo
atómico, desvía su trayectoria y pierde parte de su energía (se
"frena"). La energía que ha perdido se transforma en rayos X. Este
proceso recibe el nombre de "Radiación de Frenado".Otra interesante
reacción ocurre cuando una partícula beta colisiona con un electrón positivo.
En este proceso, ambas partículas se aniquilan y desaparecen, liberando energía
en forma de rayos gamma.
3) Radiación
gamma
Las emisiones alfa y beta suelen ir asociadas con
la emisión gamma. Es decir las radiaciones gamma suelen tener su origen en el
núcleo excitado generalmente, tras emitir una partícula alfa o beta, el núcleo
tiene todavía un exceso de energía, que es eliminado como ondas
electromagnéticas de elevada frecuencia. Los rayos gamma no poseen carga ni
masa; por tanto, la emisión de rayos gamma por parte de un núcleo no conlleva
cambios en su estructura, interaccionan con la materia colisionando con las
capas electrónicas de los átomos con los que se cruzan provocando la pérdida de
una determinada cantidad de energía radiante con lo cual pueden atravesar
grandes distancias, Su energía es variable, pero en general pueden atravesar
cientos de metros en el aire, y son detenidas solamente por capas grandes de
hormigón, plomo o agua.
Con la emisión de estos rayos, el núcleo compensa
el estado inestable que sigue a los procesos alfa y beta. La partícula alfa o
beta primaria y su rayo gamma asociado se emiten casi simultáneamente. Sin
embargo, se conocen algunos casos de emisión alfa o beta pura, es decir,
procesos alfa o beta no acompañados de rayos gamma; también se conocen algunos
isótopos que emiten rayos gamma de forma pura. Esta emisión gamma pura tiene
lugar cuando un isótopo existe en dos formas diferentes, los llamados isómeros
nucleares, con el mismo número atómico y número másico pero distintas energías.
La emisión de rayos gamma acompaña a la transición del isómero de mayor energía
a la forma de menor energía.
Aunque no hay átomos radiactivos que sean emisores
gamma puros, algunos son emisores muy importantes, como el Tecnecio 99,
utilizado en Medicina Nuclear, y el Cesio 137, que se usa sobre todo para la
calibración de los instrumentos de medición de radiactividad.
Rayos X
Los rayos X son una radiación electromagnética de
la misma naturaleza que las ondas de radio, las ondas de microondas, los rayos
infrarrojos, la luz visible, los rayos ultravioleta y los rayos gamma. La
diferencia fundamental con los rayos gamma es su origen: los rayos gamma son
radiaciones de origen nuclear que se producen por la desexcitación de un
nucleón de un nivel excitado a otro de menor energía y en la desintegración de
isótopos radiactivos, mientras que los rayos X surgen de fenómenos
extranucleares, a nivel de la órbita electrónica, fundamentalmente producidos
por desaceleración de electrones. La energía de los rayos X en general se
encuentra entre la radiación ultravioleta y los rayos gamma producidos
naturalmente. Los rayos X son una radiación ionizante porque al interactuar con
la materia produce la ionización de los átomos de la misma, es decir, origina
partículas con carga (iones).
Radiación
electromagnética
La radiación electromagnética es una combinación de
campos eléctricos y magnéticos oscilantes, que se propagan a través del espacio
transportando energía de un lugar a otro.
La radiación electromagnética puede manifestarse de
diversas maneras como calor radiado, luz visible, rayos X o rayos gamma. A
diferencia de otros tipos de onda, como el sonido, que necesitan un medio
material para propagarse, la radiación electromagnética se puede propagar en el
vacío. En el siglo XIX se pensaba que existía una sustancia indetectable,
llamada éter, que ocupaba el vacío y servía de medio de propagación de las
ondas electromagnéticas. El estudio teórico de la radiación electromagnética se
denomina electrodinámica y es un subcampo del electromagnetismo.
Fenómenos asociados a la radiación electromagnética
Existen multitud de fenómenos físicos asociados con
la radiación electromagnética que pueden ser estudiados de manera unificada,
como la interacción de ondas electromagnéticas y partículas cargadas presentes
en la materia. Entre estos fenómenos están por ejemplo la luz visible, el calor
radiado, las ondas de radio y televisión o ciertos tipos de radioactividad por
citar algunos de los fenómenos más destacados. Todos estos fenómenos consisten
en la emisión de radiación electromagnética en diferentes rangos de frecuencias
(o equivalentemente diferentes longitudes de onda), siendo el rango de
frecuencia o longitud de onda el más usado para clasificar los diferentes tipos
de radiación electromagnética. La ordenación de los diversos tipos de radiación
electromagnética por frecuencia recibe el nombre de espectro electromagnético.
Luz visible:
La luz visible está formada por radiación
electromagnética cuyas longitudes de onda están comprendidas entre 400 y 700
nm. La luz es producida en la corteza atómica de los átomos, cuando un átomo
por diversos motivos recibe energía puede que algunos de sus electrones pasen a
capas electrónicas de mayor energía. Los electrones son inestables en capas
altas de mayor energía si existen niveles energéticos inferiores desocupados,
por lo que tienden a caer hacia estos, pero al decaer hacia niveles inferiores
la conservación de la energía requiere la emisión de fotones, cuyas frecuencias
frecuentemente caen en el rango de frecuencias asociados a la luz visible. Eso
es precisamente lo que sucede en fenómenos de emisión primaria tan diversos
como la llama del fuego, un filamento incandescente de una lámpara o la luz
procedente del sol. Secundariamente la luz procedente de emisión primaria puede
ser reflejada, refractada, absorbida parcialmente y esa es la razón por la cual
objetos que no son fuentes de emisión primaria son visibles.
Calor radiado:
Cuando se somete a algún metal y otras substancias
a fuentes de temperatura estas se calientan y llegan a emitir luz visible. Para
un metal este fenómeno se denomina calentar "al rojo vivo", ya que la
luz emitida inicialmente es rojiza-anaranjada, si la temperatura se eleva más
blanca-amarillenta. Conviene señalar que antes que la luz emitida por metales y
otras substancias sobrecalentadas sea visible estos mismos cuerpos radian calor
en forma de radiación infrarroja que es un tipo de radiación electromagnética
no visible directamente por el ojo humano.
Interacción entre radiación electromagnética y
conductores:
Cuando un alambre o cualquier objeto conductor, tal
como una antena, conduce corriente alterna, la radiación electromagnética se
propaga en la misma frecuencia que la corriente.
De forma similar, cuando una radiación
electromagnética incide en un conductor eléctrico, hace que los electrones de
su superficie oscilen, generándose de esta forma una corriente alterna cuya
frecuencia es la misma que la de la radiación incidente. Este efecto se usa en
las antenas, que pueden actuar como emisores o receptores de radiación
electromagnética.
Estudios mediante análisis del espectro
electromagnético:
Se puede obtener mucha información acerca de las
propiedades físicas de un objeto a través del estudio de su espectro
electromagnético, ya sea por la luz emitida (radiación de cuerpo negro) o
absorbida por él. Esto es la espectroscopia y se usa ampliamente en astrofísica
y química. Por ejemplo, los átomos de hidrógeno tienen una frecuencia natural
de oscilación, por lo que emiten ondas de radio, las cuales tiene una longitud
de onda de 21,12 cm.
Penetración de la radiación electromagnética:
En función de la frecuencia, las ondas
electromagnéticas pueden no atravesar medios conductores. Esta es la razón por
la cual las transmisiones de radio no funcionan bajo el mar y los teléfonos
móviles se queden sin cobertura dentro de una caja de metal. Sin embargo, como
la energía no se crea ni se destruye, cuando una onda electromagnética choca
con un conductor pueden suceder dos cosas. La primera es que se transformen en
calor: este efecto tiene aplicación en los hornos de microondas. La segunda es
que se reflejen en la superficie del conductor (como en un espejo).
Espectro
electromagnético
Se denomina espectro electromagnético a la
distribución energética del conjunto de las ondas electromagnéticas. Referido a
un objeto se denomina espectro electromagnético o simplemente espectro a la
radiación electromagnética que emite (espectro de emisión) o absorbe (espectro
de absorción) una sustancia. Dicha radiación sirve para identificar la
sustancia de manera análoga a una huella dactilar. Los espectros se pueden
observar mediante espectroscopios que, además de permitir observar el espectro,
permiten realizar medidas sobre el mismo, como son la longitud de onda, la
frecuencia y la intensidad de la radiación.
El espectro electromagnético se extiende desde la
radiación de menor longitud de onda, como los rayos gamma y los rayos X, pasando
por la luz ultravioleta, la luz visible y los rayos infrarrojos, hasta las
ondas electromagnéticas de mayor longitud de onda, como son las ondas de radio.
Se cree que el límite para la longitud de onda más pequeña posible es la
longitud de Planck mientras que el límite máximo sería el tamaño del Universo, aunque
formalmente el espectro electromagnético es infinito y continuo.
Todas las ondas electromagnéticas viajan en el vacío
a unos 300.000 km/s. El conjunto de ondas electromagnéticas se llama espectro
electromagnético. El espectro electromagnético se divide en regiones, de
acuerdo con los valores de frecuencia o longitud de onda en el vacío. Estas
regiones no tienen límites definidos sino arbitrarios que se usan como
referencia.
Cuanto mayor es la frecuencia y menor la longitud
de onda, más concentrada está la energía que transporta una onda
electromagnética. Las ondas de radio tienen baja frecuencia y son las más
largas, y los rayos gamma de alta frecuencia tienen la longitud de onda más
corta. Por esto, las ondas de radio no afectan los átomos de nuestro cuerpo,
pero los rayos gamma sí lo hacen.
Radiación térmica
El planeta recibe energía del sol en forma de luz y
calor. Una parte es transformada por las plantas durante el proceso de
fotosíntesis. La otra evapora el agua de los ríos y los mares, y permite su
circulación en todo el planeta. También calienta la superficie y causa el
movimiento del aire que provoca los vientos.
¿Cómo llega la energía del sol a la Tierra?
La energía solar atraviesa el espacio y la
atmósfera. No llega a la superficie de la Tierra por conducción, porque el aire
es mal conductor del calor. Tampoco llega por convección, porque las corrientes
de convección se originan después del calentamiento de la Tierra. Por lo tanto
la energía del sol llega a nuestro planeta por un mecanismo de transmisión de
calor diferente, denominado radiación, que consiste en ondas emitidas por el
sol. Durante el día, la radiación solar calienta el suelo, el agua de los ríos
y los mares, las plantas, las paredes y techos de las casas y todo lo que se
encuentra en la superficie terrestre. También participa en procesos biológicos
como la fotosíntesis, temperatura de animales poiquilotermos (animales con temperatura corporal variable) y otros
Factores que influyen en la radiación UV en la superficie
Los niveles de radiación UV que alcanzan la
superficie terrestre viene condicionado básicamente por el ángulo cenital solar
(a su vez condicionado por la hora del día, posición geográfica y época del
año), el contenido total de ozono, la nubosidad, la altitud sobre el nivel del
mar, los aerosoles, el albedo o reflectividad del suelo, el ozono troposférico
y otros contaminantes gaseosos.
Efecto con
la latitud
La cantidad de radiación solar que llega a la
superficie es muy dependiente de la elevación del sol. En las regiones
tropicales en que el sol se encuentra cerca de la vertical en los meses de
verano los niveles de radiación UV son muy altos. Por el contrario, en las
regiones polares la elevación del sol incluso en verano es poca y los niveles
de radiación debidos a este efecto son bajos o moderados.
Nubosidad
La importancia de la nubosidad sobre la radiación
UV en superficie está bien establecida. La nubosidad tiene un efecto plano
sobre la radiación UV, de modo que atenúa el espectro en la misma medida para
todo el rango sin modificar ostensiblemente la estructura espectral. La
cantidad de radiación UV atenuada por la nube será función del tipo de nube y
de su desarrollo. Así pues, y como norma general, las nubes mas densas y
oscuras bloquearán mas eficientemente la radiación UV, mientras que las nubes
blancas y con menor desarrollo junto con las nieblas y calimas atenúan en mucha
menor medida la radiación UV. El hecho de que sintamos menos calor en presencia
de estas nubes puede resultar engañoso, ya que nos podemos quemar debido a la escasa
atenuación de estas nubes en la región ultravioleta. La presencia de nubes y el
contenido de humedad de la atmósfera hacen que la radiación solar disminuya,
con respecto a otra que no tenga nubes y la húmeda atmosférica sea baja. La
fracción del cielo cubierto y el tipo de nubes afectan la intensidad y
composición espectral de la radiación ultravioleta que llega a la superficie
terrestre. Este efecto es debido principalmente a la reflexión de la radiación
ultravioleta por las gotas de agua o cristales de hielo que forman la nube. No
siempre el efecto neto es una disminución de la irradiancia; en ocasiones, las
nubes cubren gran parte del cielo, pero no ocultan el disco solar. En estas
circunstancias, la radiación solar reflejada por la superficie terrestre hacia
arriba, es reflejada a su vez por las nubes nuevamente hacia la Tierra, por lo
que así aumenta el nivel de irradiancia en la superficie.
Aerosoles
El aerosol atmosférico está constituido por el
conjunto de partículas en suspensión en la atmósfera; el aerosol troposférico
reduce los niveles de UV significativamente en regiones contaminadas. El efecto
del aerosol estratosférico ha incrementado su interés en la comunidad
científica desde la erupción del Monte Pinatubo en Junio de 1991. El scattering
de la radiación por el aerosol puede reducir la irradiancia en superficie para
longitudes de onda largas, pero puede cambiar también el camino óptico de los
fotones a través del ozono estratosférico resultando un incremento de la
irradiancia en superficie, especialmente para longitudes de onda corta y
ángulos cenital solar grandes. El análisis de las medidas espectrales muestran
una marcado incremento de la razón Difusa/Directa, pero no se encuentran
variaciones significativas en el efecto sobre la irradiancia global. El aerosol
estratosférico también influye en los niveles de radiación UV que alcanzan la
superficie indirectamente, a través de su efecto en la química del ozono
estratosférico.
Albedo (o
reflectividad del suelo) y altitud
La reflectividad del suelo afecta a la radiación UV
tanto en la radiación difusa como en la directamente reflejada por la
superficie. Los valores de albedo suelen estar por debajo de 10% para la
vegetación pero la variabilidad en caso de hielo puede alcanzar del 7 al 75% y para
la nieve del 20 al 100%. La alta reflectividad puede ser de gran importancia en
la distribución geográfica y estacional de la radiación UV, especialmente en
climas fríos.
Los niveles de radiación UV están muy influenciados
por la altura sobre el nivel del mar debido a la disminución de la capa de aire
que queda por encima. Así, La radiación ultravioleta aumenta con la altitud del
lugar aproximadamente un 10% por kilómetro de elevación. A igualdad de
condiciones meteorológicas, los lugares elevados reciben mucha mas radiación
que a nivel del mar.
Efecto de la
altitud
Mientras mayor sea la altitud del lugar, menor es
la atenuación de los rayos del sol por la atmósfera, por lo que la radiación UV
será mayor que a nivel del mar.
Efecto de la oblicuidad o masa de aire atmosférica
Se denomina ángulo cenital al ángulo que forma la
dirección aparente del sol con la vertical local. Este ángulo depende a su vez
de la hora del día, la estación, y la latitud del sitio. La influencia de este
factor tiene dos aspectos, uno de ellos puramente geométrico, ya que el flujo
de radiación que atraviesa una superficie cualquiera varía con la orientación
de la superficie. Si esta es paralela a la dirección de incidencia, el flujo de
radiación es cero, mientras que si es perpendicular, resulta máximo. Además de
este efecto, el aumento del ángulo cenital implica que la radiación tiene que
atravesar una capa atmosférica más gruesa, y por consiguiente su atenuación
será mayor. La oblicuidad de los rayos del sol y el horizonte, depende de la
latitud, y del día del año. La cantidad de radiación UV de todas los tipos, que
nos llega a la tierra dependen de la hora y del ángulo que los rayos del sol
forman con la superficie receptora. Cuando el sol esta cerca del horizonte, su
radiación viaja un largo camino a través de la atmósfera, por lo que menos
rayos UV llegan a la superficie de la tierra y cuando el sol está en la parte
más alta, sus rayos tienen menos camino que atravesar y caen con mayor
intensidad en la superficie de la tierra.
En latitudes medias y altas, es de mayor
consideración.
Tipo de
superficie reflejante (albedo)
La reflexión de los rayos solares, varía según el
tipo de superficie. Es por ello que se debe evitar salir a tomar sol en la
presencia de nieve, ya que esta refleja el 85 % de la radiación, y aunque te
pongas un sombrero y uses gafas, la radiación reflejada te puede afectar. En el
caso de los trópicos, la reflexión de la arena (17%), aunque es
considerablemente menor que la de la nieve, tiene que ser tomado en cuenta,
especialmente en los alrededores del medio día, con cielo despejado.
Otros
factores que afectan la intensidad de la radiación UV
La intensidad de radiación ultravioleta producida
por el sol tiene leves variaciones, asociadas a su período de rotación aparente
-27 días-, al ciclo de manchas solares -11 años-, y a la aparición de
protuberancias y explosiones en la fotosfera. Estas fluctuaciones afectan sobre
todo las componentes más energéticas del espectro, que no llegan a la
superficie terrestre. Sin embargo, pueden afectar al ciclo de producción y
destrucción de ozono en la alta atmósfera, y en consecuencia, la transmisión
atmosférica de otras porciones del espectro ultravioleta.
Otro factor que determina la cantidad de esta
radiación que llega a nuestro planeta es la distancia entre la Tierra y el Sol,
la cual, debido a la forma elíptica de la órbita terrestre, oscila un 3,4% a lo
largo del año. Como la atenuación de la radiación es cuadrática con esta
distancia, el resultado es una variación de alrededor del 7% en la intensidad
de radiación ultravioleta extraterrestre, y es máxima en diciembre, al comienzo
del verano austral.
Dentro de los factores atmosféricos, el más
conocido es la atenuación que produce la capa de ozono. Podemos dividir este
fenómeno en dos fases; en la primera, una molécula de oxígeno absorbe radiación
-hv representa un fotón- de longitud de onda (λ) menor de 240nm y se disocia.
Este oxígeno atómico, con ayuda de alguna otra molécula, forma ozono (O3):
02 + hv ( l < 240nm) -> 20
30 + X -> 03 + X
La segunda parte consiste en la disociación del
ozono mediante la absorción de más radiación ultravioleta, pero esta vez de
longitud de onda más larga:
03+ hv (l <= 320nm) -> O+O2
La porción del espectro que comprende longitudes de
onda entre 240 y 320nm no se absorbe uniformemente, por lo que algo de
radiación ultravioleta de λ >290nm llega a la superficie terrestre. Esta
banda es justamente la más seriamente afectada por la disminución de las
concentraciones de ozono estratosférico.
La atenuación de la radiación solar no sólo se
produce por absorción sino también por la denominada dispersión de Rayleigh. En
el fenómeno de dispersión, el fotón involucrado no desaparece sino que es
desviado en su dirección de propagación. La distribución angular de la
radiación dispersada es simétrica, lo que implica que la probabilidad de que la
luz sea dispersada en alguna dirección "hacia arriba" es equivalente
a la de ser dispersada en alguna dirección "hacia abajo". Para la
porción ultravioleta del espectro, la dispersión de Rayleigh resulta importante
hasta el punto de que más del 40% de la irradiancia de 300nm que llega a la
superficie terrestre no proviene directamente del disco solar -radiación
directa- sino del resto del cielo -radiación difusa-.
En áreas urbanas se producen concentraciones
importantes de gases contaminantes a nivel de la atmósfera baja, entre ellos:
ozono troposférico, dióxido de azufre y dióxido de nitrógeno, que absorben
radiación ultravioleta. El aumento de concentración de estos gases lleva a una
disminución de la intensidad de radiación ultravioleta en las áreas urbanas, a
pesar del debilitamiento de la capa de ozono estratosférico.
Emisión de radiación
Todos los cuerpos, a cualquier temperatura, irradian energía. Esto significa que además del sol, las brasas o el horno encendido, también lo hacen el suelo, las personas, los animales y cualquier objeto del universo. Es por esto que existe un continuo intercambio de radiación entre un elemento y su entorno. Por ejemplo: si una persona está de pie en una habitación, recibe radiación de las paredes, el piso, los muebles o del sol que entra por la ventana. A su vez, la persona también la emite.
La radiación que llega a un cuerpo puede ser absorbida, reflejada o transmitida.
En la mayoría de los casos, los objetos que absorben más radiación de la que emiten aumentan su temperatura y los que emiten más de la que absorben, la disminuyen.
Este proceso tiene lugar hasta que en los cuerpos no se producen más variaciones de temperatura: continúan con el proceso de emisión y absorción, pero se encuentran en equilibrio térmico. Esto se explica, considerando que se llega a un equilibrio entre la radiación emitida y la absorbida, y en estas condiciones, la temperatura del cuerpo se mantiene constante.
Emisión de radiación y temperatura
Un panel
cerámico que se utiliza para calefaccionar irradia más energía por unidad de
tiempo cuanto más caliente se encuentre. Algo similar ocurre con una plancha.
Al acercar la mano a la superficie que apoya al planchar, se siente la energía
que genera. Si, mediante la llave selectora, se aumenta la temperatura de la
plancha se sentirá más calor. Los ejemplos permiten inferir que la energía por
unidad de tiempo que emite un cuerpo depende de la temperatura a la que se
encuentre.
Este
descubrimiento fue realizado empíricamente por el físico esloveno Josef Stefan
(1835-1893); a fines del siglo XIX y deducido teóricamente por el austríaco
Ludwin Bolztmann (1844-1906), pocos años más tarde. Los resultados encontrados
experimentalmente permiten determinar que todos los cuerpos irradian energía de
acuerdo con su temperatura. Es decir, los cuerpos no solo emiten radiación al
interactuar con otros de menor temperatura, sino que todos, constantemente,
irradian energía.
