dimecres, 1 de març de 2017

L'aigua és calenta o freda?

Com ja sabeu la molècula d'aigua està composta per dos àtoms d'hidrogen i un d'oxigen amb un pes molecular de 18. Si féssim una comparació entre molècules similars a les de l'aigua, substituint l'àtom d'oxigen per altres similars, com sofre, seleni o tel·luri, els tres elements que es troben per sota a la seva columna de la taula periòdica d'elements, veuríem que el seu punt d'ebullició no es correspon en absolut. Segons aquesta comparació l'aigua hauria de bullir a -72ºC, en canvi bull a 100ºC, uns 170º per sobra del que li correspondria.

Sembla que l'aigua és més calenta del que li pertoca.

Això és degut a que la molècula d'aigua té una propietat, la polaritat, que fa que les càrregues dels seus àtoms estiguin desplaçades del punt central, facilitant un pont d'unió entre un hidrogen i l'oxigen d'una altre molècula, i es tornin, com dir-ho, com enganxifoses i els hi costi més de separar-se per poder-se alliberar les unes de les altres i bullir lliurament. Aquest fet es defineix com un «pont d'hidrogen».

Igualment, degut a aquesta propietat enganxifosa té una gran capacitat calorífica. És a dir, absorbeix més quantitat de calor que les seves molècules similars per poder-se desenganxar. Es comporta com una esponja de calor. Degut a això l'aigua del mar puja més lentament de temperatura que la terra o es refreda més poc a poc. Actua com un moderador de la temperatura ambient.

El tenir aquest comportament polar també permet molt fàcilment dissoldre altres substàncies polars. Tenint en compte que els teixits humans tenen el 70% d'aigua, facilita la dissolució de proteïnes, àcids nucleics, sucres i midons, que també són polars. O sigui, la química del cos i de la vida es pot desenvolupar en un fons d'aigua, com serien els oceans primitius.

Altre propietat curiosa de l'aigua, que trenca tots els esquemes és la densitat. Normalment quan es refreda un líquid arriba a solidificar, pujant la seva densitat. Tots els sòlids s'enfonsen en presència del seu propi compost en estat líquid. Però l'aigua no. A 100º té la seva mínima densitat, 0,958 g/cm3 i conforme es refreda va pujant per arribar a 1,000 a 4ºC. Ara ve la part sorprenent, si l'aigua passa a sòlid la densitat torna a baixar. El gel la té a 0,92. Això implica que un 8% del gel sòlid sura per sobre de l'aigua líquida, tal com ho faria un iceberg.

Aquesta propietat és extraordinària per la vida, doncs permet que al congelar-se la superfície d'un oceà, el gel es quedi a sobre i permeti continuar la vida existint per sota. D'altra banda es congelaria completament tot el mar, de baix a dalt, a l'enfonsar-se els gel format, acumulant-se en el fons i no es podria viure. Igualment quan es descongela, tal com es fa ara, la part superior gelada es va fonent poc a poc i permet mantenir l'aigua inferior en estat líquid. Si el gel estigués ja en el fons, per no tenir aquesta propietat, no s'arribaria a descongelar mai i tots els mars del planeta haguessin acabat com bloc de gel sense capacitat per generar vida.

Publicat a la revista "Els Colors del Pla de l'Estany" en el seu nº 207 del març de 2017


dimecres, 1 de febrer de 2017

Anells

Quan mirem per primer cop el planeta Saturn de ben segur que el que més ens impressiona són els seus anells, esdevé una imatge inesborrable a la nostra retina per molts anys que passin.

Però què són els anells, de què estan formats i perquè es formen?, tots els planetes en tenen?
Anem per parts, no tots els planetes tenen anells, però en el nostre sistema solar sí que en tenen els quatre planetes exteriors, Júpiter, Saturn, Neptú i Urà. Els planetes interiors no tenen anells.
El més vistosos són els de Saturn i després, a distància, Urà, Neptú i Júpiter, aquests dos darrers quasi empatats.
Anells a Júpiter

Els anells estan formats en el cas de Saturn per trossos de gel d'aigua i roques, alguns de mides com cases, altres de centímetres i, també, per molta pols de gel. En el cas dels altres planetes estan formats per roques fetes de silicats.

Els anells de Saturn van ser vistos per primer cop per Galileu el 1610, però no es va imaginar que eren anells al voltant del planeta sinó una mena de nanses o bonys. Va ser Huyghens el 1659 que els va identificar com anells que voltaven el planeta sense tocar-lo. Encara que s'estenen entre els 7.000 km de la superfície del planeta i quasi els 300.000 km. La massa total dels anells equivaldrien a la d'un asteroide de 500 km de diàmetre.

Els d'Urà van ser descoberts el 1977 per un equip d'astrònoms i confirmats, i ampliats en nombre, per la sonda Voyager 2 i el telescopi Hubble fins els 13 que es coneixen actualment. Els de Júpiter i de Neptú són els més febles de tots i els va descobrir també la sonda Voyager 2. Júpiter presenta tres anells i un halo interior formats tots per pols microscòpica. Neptú presenta cinc anells també formats per pols microscòpica.

En quant a la seva formació, no està gaire clara, però darrerament, el 2010, uns científics americans van proposar que els anells gelats de Saturn s'havien format per l'acció de la gravetat del planeta sobre una o més llunes atrapades i que per la força de marea les va acabar destruint. Això passa quan la força de gravetat és superior a la força de cohesió de la lluna atrapada. Semblaria que els altres planetes en lloc d'atrapar llunes només van atrapar pols.

No només s'han descobert anells en planetes, el 1997 es va descobrir a un asteroide de nom Cariclo. Té 250 km de mida, transita entre Saturn i Urà i es va detectar que alguna cosa li passava, doncs variava de lluminositat. El 2014 es va concloure que estava rodejat per un anell de material que segons com li feia ombra. Van resultar ser dos anells de gel que equivaldrien a una pedra de 4 km de diàmetre feta pols. Se suposa que estan fets de cristalls de gel provinents d'algun impacte i, que a més, hauria d'haver estat suau, d'altre manera el material hagués sortit rebotat i la feble gravetat de l'asteroide no l'hauria pogut retenir.

Publicat a la revista "Els Colors del Pla de l'Estany" en el seu nº 206 del febrer de 2017

dimarts, 3 de gener de 2017

La sonda Rosetta de l'ESA

La històrica missió de la sonda Rosetta ha conclòs amb el seu impacte damunt de la superfície del cometa on ha estat investigant per dos anys. Això ha ocorregut el dissabte 30 de setembre 2016.

Aquest descens li va donar la darrera oportunitat d'estudiar el gas cometari, la pols i el plasma que el rodeja des de ben a prop de la superfície, prenent imatges d'alta resolució, com la que s'adjunta, la darrera. Ja mai més ens podrem comunicar amb ella. El forats de la seva superfície mostren un especial interès per l'activitat del cometa per ser les úniques finestres per a veure la seva estructura interna.

La missió Rosetta i el mòdul d'aterratge Philae han donat feina des de fa 20 anys als enginyers i l'examen de les seves dades donarà, encara, feina als científics per dècades.

Des del seu llançament el 2004, es troba ara fent la seva sisena òrbita al Sol. Ha recorregut prop de 8 mil milions de quilòmetres, incloent tres passades a prop de la Terra i una prop de Mart per agafar empenta gravitacional, visitant, de passada, dos asteroides, Lutetia i Steins. Després, el juny de 2011 va hibernar durant 31 mesos, per estalviar energia, i la van despertar el gener de 2014 per arribar el següent agost prop del cometa 67P.

El mòdul Philae va posar-se damunt de la superfície del cometa el 12 de novembre del mateix 2014, sent la primera sonda en fer-ho, mentre Rosetta estudiava l'evolució del cometa en la seva aproximació al Sol, des d'una òrbita propera. En total 786 dies voltant-lo, en els quals va tenir que entrar dos cops en mode de seguretat.
Cometa 67P - Foto: sonda Rosetta

La decisió de fer-lo impactar es va prendre pel fet de que el cometa s'allunyava constantment del Sol, ja apuntava a passar la frontera de Júpiter, i l'energia que rebia la sonda no li permetia mantenir un bon funcionament.

Alguns dels sorprenents resultats obtinguts venen de l'estudi de les corrents gasoses provinents del nucli, que ha permès identificar oxigen molecular, nitrogen i aigua amb una composició diferents dels isòtops que hi trobem a l'aigua dels nostres oceans terrestres. Aquests resultats, tots plegats, apunten a que el cometa es va engendrar en una regió molt freda del núvol protoplanetari del sistema Solar fa més de 4.500 milions d'anys.

Per tant, sembla que cometes com el 67P no van aportar aigua a la Terra, tal com es pensava, però que sí hagués pogut aportar altres components, crucials pel desenvolupament de la vida, ja que es van trobar components com l'aminoàcid glicina (necessari per formar proteïnes) i fòsfor (component clau per formar ADN i membranes cel·lulars), a més d'altres compostos orgànics.

Resumint, la sonda Rosetta ha estat una missió de l'ESA, amb contribucions de la NASA, i la primera en la història de trobar-se amb un cometa i escortar-lo en la seva òrbita la voltant del Sol. També la primera en desplegar un mòdul d'aterratge fins a la superfície del cometa i, finalment, a l'acabar la missió impactar de forma controlada sobre el cometa.

Publicat a la revista "Els Colors del Pla de l'Estany" en el seu nº 205 de gener de 2017


dijous, 1 de desembre de 2016

El Sol (3)

Al mateix temps les capes exteriors que embolcallen el Sol aniran expandint-se gradualment, transformant-se en una estrella del tipus gegant vermella i el seu radi arribarà fins a l'òrbita de Venus , o potser, fins i tot, de la Terra. Però ja farà anys que la vida haurà deixat d'existir al planeta. El punt final de la vida del Sol serà la seva explosió originant una nebulosa planetària i un residu en forma de nana blanca.

Les reaccions de fusió nuclear es produeixen en el cor del Sol. Aquest representa una quarta part del seu radi i només un 1,5% del seu volum. En aquesta zona tan calenta els àtoms es mouen tan ràpid que perden els seus electrons i això els permet compactar-se fins a densitats 12 cops superiors a la del plom i es comporten com un gas perfecte.

La meitat de la massa del Sol es concentra en el nucli intern. Així en aquest punt la seva pressió és 300.000 milions de vegades superior a la que tenim damunt del nostre planeta. En aquestes condicions, un fotó produït per una reacció nuclear, només pot avançar una fracció de centímetre abans de xocar amb una altra partícula, a la qual li fa augmentar la seva energia momentàniament i després la torna a emetre. Avançant d'aquesta manera, xoc darrera xoc, el fotó (la llum) que es produeix en el nucli del Sol, que hauria de trigar 2,5 segons en sortir a la superfície si anés en línia recta, pot arribar a necessitar quasi 10 milions d'anys per sortir-ne.

Gairebé bé cinc vegades la nostra distància amb la galàxia d'Andròmeda. Vist d'una altra forma, la llum que rebem ara es va generar fa 10 milions d'anys. Per contra els neutrins, originats també durant les reaccions nuclears, sí que triguen els 2,5 segons esmentats, ja que no interaccionen amb cap altra partícula.

Un cop ens allunyem del nucli, la temperatura del plasma va disminuint. A la meitat de la distància entre el centre i la superfície, la densitat és com la de l’aigua i una mica més enllà, a dos terços del camí, és com la de l’aire que respirem. Hi ha un moment que les condicions són tals que els electrons tornen a adherir-se els nuclis. Els fotons que arriben són absorbits i tot just emesos, de manera que els àtoms s’escalfen.

En aquesta zona, per desfer-se de l'excés d'energia, l'estrella utilitza la convecció, vol dir que produeix bombolles de material calent que pugen cap a la superfície tal com ho fa l'aigua en una olla posada al foc de la cuina per escalfar. Aquesta zona es coneix com la zona convectiva i ocupa un 15% del radi del Sol, els 150.000 km més externs del Sol.

A la superfície, la part visible, hi ha una primera capa anomenada fotosfera, amb una temperatura de 6.000ºC. La pressió és una sisena part de l'atmosfèrica i la densitat menys d'una milionèsima de la de l'aigua.

Publicat a la revista "Els Colors del Pla de l'Estany" en el seu nº 204 del desembre de 2016

dimecres, 2 de novembre de 2016

El Sol (2)

Cap el 1920 ja s'intuïen les reaccions de fusió nuclears i, segons aquestes, el Sol necessitava una temperatura de 10.000 milions de graus per poder-les produir. Però, d'altre banda se sabia que la temperatura al nucli del Sol era de només 15 milions de graus. Hi havia un gran conflicte.

El 1927 en Werner Heisenberg ja havia enunciat el seu principi d'incertesa, dins dels postulats de la física quàntica, i va ser el 1929 quan els treballs de Houtermans i Atkinson van permetre entendre que les reaccions nuclears de fusió es produïen pel conegut efecte de túnel quàntic. Es coneguda una anècdota ocorreguda entre en Houtermans i la seva novia, Charlotte Riefensthal, quan una nit sense lluna es va vantar de ser l'única persona al món que sabia perquè brillaven les estrelles. No se sap si va ser per això però es van casar dos anys més tard.

Aquestes reaccions per efecte túnel són molt difícils de que es produeixin, és a dir, són molt poc probables. De fet es produeix una cada mil milions d'anys, però com que al Sol n'hi ha tants àtoms el resultat és el que veiem. Per intentar explicar com funciona l'efecte túnel, intentaré fer-ho amb una comparació. Seria com si un saltador estigués tancat dintre d'un recinte clos de 5 metres d'alçada i no el pogués saltar, amb la nostra física i en condicions normals. Doncs la quàntica ofereix una petita possibilitat de poder-lo travessar sense cap problema, et llences de cap contra la paret i la travesses sense cap mal. Pels humans és com un miracle, però és així.

En transformar hidrogen en heli, el Sol perd 4 milions de tones de matèria cada segon, transformant-la en energia segons l'equació d'Einstein, però no cal preocupar-se, en els 4.500 milions d'anys que porta cremant només ha perdut 5 mil·lèsimes de la seva massa inicial. D'altra banda tampoc ha lluït sempre igual. Des del seu origen fins avui, la seva lluentor ha augmentat un 40%. Dintre de 1.500 milions d’anys, quan tingui una edat de 6.000 milions d’anys, serà un 15% més brillant. Quan sigui així, el clima de Noruega serà semblant al que ara té el nord d’Àfrica.

Hi han experts que pronostiquen que quan aquest augment sigui del 40%, en 3.500 milions d'anys més, l'augment de temperatura superficial del planeta haurà eixugat els oceans i la Terra esdevindrà com ara veiem Venus. Semblaria probable que ja no pogués existir vida sobre el planeta.

Aquest augment de brillantor estarà ocasionat per l'esgotament de l'hidrogen com combustible, que al cremar amb menys intensitat, permetrà que el Sol es contregui cap el nucli. Aquest procés continuarà fins que la força de la gravetat, a l'escalfar el nucli, permeti encendre les reaccions nuclears que permetin, a l'arribar als 100 milions de graus.

Publicat a la revista "Els Colors del Pla de l'Estany" en el seu nº 203 del novembre de 2016

divendres, 21 d’octubre de 2016

Els forns de calç d'Argelaguer

Prop del Borró, dins del terme d'Argelaguer, es troben dos forns de calç, quasi bessons, de mides poc habituals

Els forns són llocs tancats, normalment cilíndrics, que es sotmeten a altes temperatures per l'acció d'algun tipus de combustió, amb diverses obertures per carregar i descarregar els productes de la combustió i el material que es vol coure. Els de calç es construïen normalment a l'aire lliure en zones amb desnivells. Així es podia aprofitar una bona part del terreny per fer-la servir com a paret sense haver-la d'aixecar; només calia buidar-lo i revestir-lo d'algun tipus de pedra resistent al foc, per tal que no es degradés a força d'anar fent cuites. Amb les altres parets que s'havien d'aixecar es feia igual. Si la pedra era calcària es podien perdre 2 cm de gruix a cada fornada, per aquest motiu intentaven utilitzar-ne d'altra més resistent al foc. En aquesta construcció atalussada s'hi podia carregar la pedra per la part alta i per la baixa, entrar la llenya i buidar la pedra cuita.

Interior i boca interior del forn. Fotos: Ernest Costa


Interior
Un cop aixecat, la part més important de la cuita era la construcció de la volta interior per sostenir la pedra. Abans de començar-la calia fer un forat rodó en el centre del fons del forn per poder recollir les cendres produïdes al cremar els feixos de llenya. Aquest forat es denominava olla i tenia vora d'1,5 m de diàmetre. Per sobre d'aquest forat ja es començaven a posar les feixines, a mena de bastida per poder aixecar la volta. Aquesta estava feta tota de pedra calcària i anava assentada damunt d'un relleix o banqueta que voltava tota la paret interior aproximadament a un metre del terra. Un cop acabada, la volta era prop de 2 metres més alta que el terra, tenia un gruix d'1,5 metres i havia de ser capaç d'aguantar el pes de tota la pedra que s'havia de coure. La volta, com una obra de pedra seca, es començava a aixecar amb pedres petites a l'exterior i s'anaven posant les més grosses i planeres a l'interior fins arribar a la darrera pedra, que com una clau de volta la collava per la part superior.

Quan es tenia tot el material dintre del forn es procedia a cobrir-lo amb pedres no calcàries i fang, excepte a les vores, per deixar-les com a ventilació i facilitar el tiratge. Per controlar que el procés de cocció fos homogeni s'havien d'anar canviant de posició els forats de ventilació, així s'obligava l'escalfor a passar de manera homogènia per tot l'interior i es coïen igual totes les pedres. El procés podia durar fins a 15 dies seguits, durant els quals calia alimentar el forn sense parar, per tal de mantenir els 900ºC necessaris per produir la correcta descarbonatació de la pedra. Així el carbonat càlcic de la pedra perdia l'anhídrid carbònic i es transformava en òxid càlcic o cal viva.

Cuita
El control de la fornada era habitual fer-lo pel color del fum. Al principi era negre i conforme avançava la cocció s'anava tornant blanc. Finalment per buidar-lo, es deixava refredar un o dos dies, es desmuntava la petita finestra que permetia accedir a la cambra de combustió i, amb un pal llarg, es començava a desmuntar la volta poc a poc, fent baixar les pedres amb compte ja que n'hi havia de fins a 100 quilos. Cal dir que al fer la cocció i descarbonatar-se la pedra es produeix una minva de volum de fins el 40 %, per aquest motiu algunes de les pedres de la part superior s'enfonsaven cap a l'interior. Quan es treia la calç se l'enduien de seguida del forn, així no es feia malbé per l'acció de la humitat ambiental. Encara que també tenien tendals per cas d'emergència. Si s'arribava a mullar es desfeia i s'havia de llençar perquè no es podia fer servir per a res.

Tant la pedra calcària com el guix que trobem a les nostres terres han estat dipositats fa milions d'anys en el fons del que va ser el mar de Tethis i la presència d'aquests materials, s'estén des del País Basc fins al cap de Creus. Els ibers i els romans, com ja descrivia Marc Porci Cató, a D'agricola, tenien forns de calç que funcionaven de la mateixa manera que ha arribat fins als nostres dies. Després de 2.200 anys de funcionament, pràcticament res ha canviat.

                                                                    Dos forns bessons
En Jaume Serra de can Lau d'Argelaguer va treballar 10 anys 
als forns de calç. Aquí el veiem acompanyat de l'escriptor i
 fotògraf Ernest Costa. Foto: Carles Puncernau
Anant per l'antiga carretera N-260 de Besalú a Argelaguer, passat el pont del Borró i entrant als boscos de Can Reig, trobem a tocar del riu dos grans forns de calç aixecats després de la Guerra Civil. Ens ha portat fins aquí en Jaume Serra Mercadé, de can Lau d'Argelaguer. Va treballar-hi durant 10 anys. Va començar quan en tenia 16 i ara en té 86, però recorda clarament molts detalls de quan va estar-hi. Eren propietat d'en Joan de la Calç de Beuda, motiu amb el que era conegut en Joan Oliveras de l'Hostal, qui en tenia quatre més al mas Perer de Beuda i d'altres a Sadernes i Monteia.
Les mides del forn gran són de 4,8 metres de diàmetre i 6,5 m de fondària. La paret que queda damunt de la boca ara només fa 3,8 m d'alçada, ja que que la llera del Borró passa molt a prop i se l'ha endut, així com la placeta on guardaven la llenya per cremar i les pedres calcàries després de coure. El segon, a 12 m de distància en línia recta, fa 4,6 m de diàmetre i 5,0 m de fons. El volum de pedra per coure que cabia a l'interior del gran podia superar els 100 m3, més de 200 tones de pes. Per treballar-hi calien tres persones, que feien torns de tres hores de feina i sis de descans en una petita barraca. Sempre hi havia algú supervisant la cuita. El que descansava podia, si volia, fer-se un sobresou fent llenya al bosc o recollint pedra.

Les pedres les hi duien els camions d'en Prujà de Besalú en vehicles que transportaven 5 tones cadascun, capaços de circular per aquelles pistes. Se'n necessitaven uns quaranta per carregar un forn completament i tota la pedra provenia de la llera del Borró. A causa del gran consum de llenya era necessari que quatre o cinc persones treballessin a bosc proporcionant les feixines. Cadascuna pesava uns 30 kg i en gastaven deu cada hora. Aquesta llenya l'entraven empenyent-la amb una branca llarga de pi d'uns 4 metres acabada amb una mena de forqueta metàl·lica petita per ajudar-se, que l'allargava un altre metre, però que el foc s'acabava menjant si hi estava massa en contacte.

Publicat a la revista "Les Garrotxes" en el seu nº 18 de la tardor de 2016

dilluns, 3 d’octubre de 2016

El Sol (1)

Estem tan acostumats a veure'l i sentir la seva escalfor que no ens preocupem més d'ell, tan sols si fa molts dies que està núvol. El veiem petit però té un diàmetre 100 cops superior al del nostre planeta i dintre seu hi cabrien un milió de Terres per aconseguir emplenar-lo. La seva massa és 300.000 cops la de la Terra i la seva densitat, en conjunt, volta cop i mig la de l'aigua.

El Sol ens irradia energia en forma de calor. El segle XVIII en William Herschel va observar que el Sol era capaç de fondre, al migdia, una capa de gel de 3 cm de gruix en 3 hores i 12 minuts. A partir d'aquestes dades es pot arribar a concloure que la superfície del Sol es troba a uns 6.000ºC. Recordeu que una bombeta de filament incandescent es troba a uns 2.000ºC.

A partir d'aquesta dada es va crear, al llarg del segle XIX, tot un debat científic de quants anys portava el Sol cremant a aquella temperatura, si milers, milions o milers de milions d'anys.

El 1904 ja era conegut que la desintegració de l'urani, passant per radi i acabant en plom, es produïa a una velocitat determinada. Fent càlculs es va arribar a determinar que hi havia roques que tenien entre 400 i 2.000 milions d'anys. La física que es coneixia en aquell moment no permetia explicar com el Sol havia pogut estat tan de temps a aquella temperatura i encara ser-hi.

Si el Sol estigués fet de benzina en uns quantes desenes de milers d'anys ja ho hauria cremat tot. De fet cap font química el podria mantenir encès gaires anys més. A finals del segle XIX la teoria Kelvin-Helmholtz proposava que per contraccions gravitatòries (50 m/any) el Sol podia generar energia, però no anaven més enllà dels 20 milions d'anys, lluny del que ja deien els geòlegs de milers de milions.

En George Gamow, un físic d'origen rus, es preguntava que si una cafetera produís calor a la mateixa velocitat que el Sol en funció de la seva massa, quant temps trigaria a bullir l'aigua suposant que estigués perfectament aïllada. La resposta va ser contundent: mesos. Això és degut a que, encara que el Sol allibera molta energia, si la calculem per gram de massa de mitjana dóna 4,4 10-8 cal/s, que és, fins i tot, més baixa que la que alliberen els nostres propis cossos quan fan el metabolisme.

D'altre banda n'Albert Einstein va dir el 1905 que: si un cos desprèn una certa quantitat d'energia (L) en forma de radiació (llum), la seva massa baixa en una quantitat L/c2. El 1919 el químic anglès Francis Aston va inventar l'espectrògraf de masses que permetia determinar la massa d'un àtom particular. Així va determinar que l'àtom d'hidrogen pesava prop d'un 1% més del que li corresponia, vist el pes de l'heli, format per unió de quatre hidrogens. O sigui que un àtom d'heli pesava menys que la suma dels 4 àtoms d'hidrogen originals. Semblava que perdien massa al fusionar-se.

De fet una bombeta de filament, mentre està cremant, també perd una bilionèsima de gram per segon de massa, encara que no es pugui detectar.

Publicat a la revista "Els Colors del Pla de l'Estany" en el seu nº 202 de l'octubre de 2016