LOS ESPECTROS DE ONDAS

Introducción

Nos detenemos para explicar dos innovaciones, introducidas en la física del siglo XIX, que han tenido una importancia trascendental en el desarrollo de la Cosmología en el siglo XX: una es un aparato, el espectroscopio, que separa la luz por las longitudes de onda que contiene. La otra, es una ley física, llamada Efecto Doppler.

El Espectroscopio

Newton descompuso la luz solar, mediante un prisma de cristal (prisma de Newton, llamado así aunque Newton no fue el primero en conocerlo), obteniendo en una pantalla colocada detrás del prisma el espectro de la luz (franjas de colores como en el arco iris: rojo, anaranjado, amarillo, azul, añil y violeta). El instrumento fue perfeccionado añadiendo una lente antes del prisma y otra después, obteniéndose el espectroscopio (ver figuras 8 y 9).

El espectroscopio proyecta sobre una pantalla, con precisión, imágenes de los distintos colores que forman la luz que le llega, ordenándolas por longitud de onda; a la imagen

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Figura 8 Prisma de Newton

Figura 9. Esquema simplificado de espectroscopio de prisma. así obtenida, formada por bandas de color, se la llama un espectro. Las longitudes de onda mayores corresponden al

21rojo, las menores al violeta. Cada longitud de onda corresponde a una frecuencia (de tal forma que multiplicando la longitud de onda por la frecuencia se obtiene la velocidad de la luz). Además, también se obtienen y separan las frecuencias no visibles, infrarrojas y ultravioletas, que se pueden medir con sensores aunque no se pueden ver.

A mediados del siglo XIX, los físicos alemanes Bunsen y Kirchoff descubrieron que, mientras un cuerpo sólido incandescente emite luces de todos los colores (formando un espectro continuo), los átomos incandescentes sueltos emiten sólo franjas o rayas de color, muy estrechas, sobre fondo negro, características del elemento químico al que pertenece el átomo. A este tipo de espectro se le llamó "espectro de emisión". O sea, cada elemento químico tiene un espectro característico, diferente de todos los demás. También las moléculas presentan espectros característicos.

Cuando la luz producida por un sólido incandescente (que produce espectro continuo), atraviesa un gas, en el espectro aparecen las rayas características de los átomos que contiene dicho gas, pero no ya como rayas luminosas, sino como rayas negras sobre fondo de color (espectro de absorción, que viene a ser como un negativo del de emisión).

Tanto el espectro de emisión como el de absorción, posibilitaron un gran desarrollo del análisis químico espectral.

El óptico alemán Fraunhoffer estudió los espectros de absorción de la luz que envía el Sol, descubriendo las rayas negras que desde entonces se llaman "rayas de Fraunhoffer". Daban noticia de la existencia de gases con los mismos elementos químicos que en la Tierra.

El astrónomo francés Janssen, en 1868, encontró sin embargo unas rayas de Fraunhoffer que no correspondían a ningún elemento conocido en la Tierra. Las identificó como producidas por un elemento nuevo, al que llamó "helio" (del griego helios, el sol). En 1894, Lord Ramsay descubrió el elemento helio en la Tierra, con idéntico espectro que el solar. Efecto Doppler-Fizeau

El austriaco Christian Johann Doppler (1803-1853) descubrió que el sonido producido por un emisor E, recibido

22por un receptor R, parece más agudo (a R) cuando emisor y receptor se acercan, y más grave si se alejan. El francés Fizeau encontró la ecuación que permite relacionar la frecuencia F del emisor, la frecuencia F' que escucha el receptor, y la velocidad relativa V que tienen uno respecto al otro (Ver figura 10).

Figura 10. Efecto Doppler: cuando el emisor E se aleja del receptor R, éste recibe una frecuencia menor. Lo contrario sucede cuando se acercan.

Fórmula para ondas sonoras: F' = F * V / (V - v)

F = frecuencia emitida por E

F' = frecuencia recibida por R

V = velocidad del sonido en el medio

v = velocidad relativa de acercamiento de E y R

Fórmula para ondas electromagnéticas (radio, radar, luz...):

F’=F * )/()( vcvc −+

c = velocidad de la luz en el medio.

Cosa idéntica sucede con otros tipos de ondas, de radio, de radar, y luminosas (ondas electromagnéticas, que viajan a la velocidad de la luz). Si un emisor produce luz, y se acerca a un espectroscopio, el espectro visible se desplazará

23algo hacia el violeta; si se aleja, el espectro se desplazará hacia el rojo.

Como ejemplo de aplicación del efecto Doppler, podemos mencionar el "Radar Atmosférico de Tiempo Claro", que permite medir las velocidades del aire, cada minuto, de kilómetro en kilómetro, desde la altura de 2 Km hasta la de 20 Km.

El radar, como la luz, se refleja en un espejo; también en el plano de separación de dos capas de aire de distinta densidad (piénsese en los espejismos). El rayo reflejado se mueve como si procediera de un punto E' simétrico del emisor respecto al plano de reflexión (ver figura 11).

Si la superficie de separación se mueve hacia arriba, por tener el aire una velocidad vertical, las ondas reflejadas se

Figura 11. Un rayo vertical de radar emitido por E (en el suelo), al encontrar una superficie SS' de separación de distintas densidades del aire, se refleja parcialmente, siendo recibido de nuevo como si viniera de E' a doble altura que SS'.

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25recibirán como si procedieran de un emisor en movimiento de separación, y por tanto, con mayor longitud de onda.

El radar atmosférico de tiempo claro trabaja de la siguiente forma: emite un rayo vertical de radar (frecuencia 50 MHz, megahertzios, o millones de ciclos por segundo, lo que corresponde a una longitud de onda de 6 metros), durante 8 microsegundos (millonésimas de segundo). Después, la antena se convierte en receptora: se pone a escuchar. Va recibiendo los ecos reflejados. Por el tiempo que tarda en llegar un eco, deduce la altura de la superficie de reflexión. Y por la frecuencia del rayo reflejado, deduce la velocidad vertical del aire a esa altura (efecto Doppler).

Naturalmente los datos son procesados por un computador anexo, que los archiva en cinta magnética y además da un resumen o consolidado cada media hora.

Hasta aquí hemos expuesto, a grandes rasgos, cómo puede medir velocidades verticales, pero, complicando más la cosa (lanzando además rayos algo inclinados), puede medir también las componentes horizontales de la velocidad del aire. Las velocidades que se obtienen son perfectamente congruentes con las obtenidas por otros métodos (método del globo sonda, por ejemplo).

Este tipo de radar (del que es co-inventor el científico piurano Ronald Woodman) se usa para estudios meteorológicos (como el llamado Fenómeno del Niño), y también servirá, cuando esté más desarrollado, para indicar rutas más económicas a los aviones comerciales (que podrán aprovechar la velocidad del aire a distintas alturas a fin de hacer sus viajes más de prisa y con menor gasto de combustible).

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