domingo, 30 de septiembre de 2018

¿Qué tienen de grandioso los Grandes Lagos?


¿Qué tienen de grandioso los Grandes Lagos? Se conocen como los mares interiores de América. Los Grandes Lagos de América del Norte Huron, Ontario, Michigan, Erie, y Superior son tan grandes que bordean ocho estados y contienen 23 trillones de litros de agua. Eso es suficiente para cubrir el área de los estados adyacentes 3 m de profundidad. Estos vastos cuerpos de agua abarcan bosque, pastizales y hábitats de humedales, manteniendo una región que es el hogar de más de 3500 especies.

Pero ¿cómo llegó a formarse un elemento geológico tan vasto y único? La historia comienza cerca del final de la última Edad de Hielo, hace más de 10 000 años, un tiempo en el que la temperatura aumentó y los glaciares que cubrían la superficie de la Tierra comenzaron su lento retroceso. Estas inmensas capas de hielo crearon una serie de cuencas.

Esas cuencas se llenaron de agua conforme el hielo empezó a derretirse creando el área más grande del mundo de lagos de agua dulce. Con el tiempo, se formaron canales entre estas cuencas y el agua comenzó a fluir en un intercambio continuo que persiste hasta nuestros días. De hecho, hoy, los Grandes Lagos interconectados contienen casi el 20% del suministro mundial de agua dulce superficial.

El viaje del agua comienza en el extremo norte del Lago Superior, que es el más profundo, el más frío, y más claro de los lagos, y contiene la mitad del agua del sistema. El Lago Superior llega a profundidades de 406 m, creando un ecosistema único y diverso que incluye más de 80 especies de peces. Una gota de agua pasa de media 200 años en este lago antes de fluir hasta el Lago Michigan o el Lago Huron. Unidos por el estrecho de Mackinac, estos dos lagos son técnicamente uno. Al oeste se encuentra el lago Michigan, el tercero más grande de los lagos por superficie.

El agua se mueve lentamente a través de su forma de calle sin salida y encuentra las dunas de agua dulce más grandes del mundo, muchas especies de vida silvestre, y único coral fosilizado. Al este está el lago Huron, que tiene la costa más larga. Está escasamente poblado, pero es muy boscoso, incluyendo árboles petrificados de 7000 años de edad.

Debajo de ellos, el agua sigue fluyendo hacia el sudeste del lago Huron en el lago Erie. Que este lago sea el más cálido y superficial de los cinco ha garantizado que albergue abundante vida animal, incluyendo millones de aves migratorias. Finalmente, el agua llega a su última parada precipitándose de súbito más de 50 m por las estruendosas  Cataratas del Niágara hasta el lago Ontario, el lago  más pequeño por superficie. De allí, parte de esta agua tan viajera entra en el río de San Lorenzo, llegando finalmente al Océano Atlántico.

Además de ser una maravilla natural, los Grandes Lagos en perpetuo fluir nos traen múltiples beneficios. Proporcionan filtrado natural de agua, control de inundaciones y transporte de nutrientes. Moviendo agua a través de más de 3200 km, los Grandes Lagos también proveen agua potable para más de 40 millones de personas y 212 mil millones de litros al día para las industrias y las granjas que rodean sus orillas.

Pero nuestra dependencia del sistema está teniendo también una serie de efectos negativos. Los hábitats costeros de los Grandes Lagos se están degradando, y están cada vez más habitados exponiendo las aguas antes prístinas a contaminantes industriales, urbanos, y agrícolas.

Debido a que menos del 1% del agua deja el sistema del Lago anualmente, décadas de contaminantes todavía acechan en sus aguas. Los humanos también han introducido inadvertidamente más de 100 especies no nativas e invasoras en los lagos, tales como mejillones cebra y cuaga, y lampreas de mar que han diezmado algunas poblaciones de peces nativos. A mayor escala, el cambio climático está haciendo que el agua se caliente, reduciendo así los niveles de agua y cambiando la distribución de la vida acuática.

Por suerte, en los últimos años, los gobiernos han empezado a reconocer el inmenso valor de este recurso natural. Están en marcha alianzas entre EE.UU. y Canadá para reducir la contaminación proteger hábitats costeros, y detener la propagación de especies invasoras.

Proteger algo tan masivo como el sistema de los Grandes Lagos requerirá la colaboración de muchas organizaciones, pero el esfuerzo es crucial para poder conservar la maravilla de este mar interior fluyente.

lunes, 17 de septiembre de 2018

Ceres, el primer asteroide descubierto


En la noche del 1 de enero de 1801 Giuseppe Piazzi, sacerdote de Palermo, Italia, cartografiaba las estrellas en el cielo. Durante tres noches, observó y dibujó el mismo conjunto de estrellas, midiendo cuidadosamente sus posiciones relativas. Esa noche midió las estrellas. La noche siguiente las midió de nuevo. Para su sorpresa, una se había movido. Durante la tercera noche, la extraña estrella se había movido de nuevo. Significaba que no podía ser una estrella. Era algo nuevo, el primer asteroide descubierto, que Piazzi denominó Ceres.

Los asteroides son trozos de piedra y metal que orbitan alrededor del Sol. Con 900 km de longitud, Ceres es un asteroide muy grande. Pero por un telescopio, como el de Piazzi, Ceres parecía un punto de luz similar a una estrella. De hecho, la palabra asteroide significa "con forma de estrella". Pueden distinguirse las estrellas de los asteroides por la forma en que se mueven en el cielo.

Por supuesto que Piazzi no sabía nada de eso en aquel entonces, que había descubierto algo nuevo. Para estudiar a Ceres, Piazzi debía rastrear su movimiento en el cielo y luego calcular su órbita alrededor del Sol. Cada noche clara, Piazzi apuntó su telescopio al cielo. Noche tras noche, realizó medidas cuidadosas hasta que, finalmente, ya no pudo. Se interpuso el Sol.

Conforme rastreaba cada noche, la Tierra y Ceres se movían. Eso significaba que Ceres estaba en el cielo solo cuando era día en la Tierra. Durante el día, la brillante luz solar hacía imposible ver al pequeño asteroide. Los astrónomos debían calcular la órbita de Ceres. Esto les permitiría prever dónde estaría en el vasto cielo nocturno  cualquier noche. Pero los cálculos eran difíciles y los resultados imprecisos.

Muchos astrónomos buscaron a Ceres, pero sin saber exactamente dónde buscar, nadie pudo encontrarlo. Por suerte, un matemático aplicado de nombre Carl Friedrich Gauss supo del asteroide perdido. Pensó que era un enigma apasionante y empezó a trabajar en él. Cuando advirtió que no tenía los métodos matemáticos que necesitaba, inventó unos nuevos que aún hoy usamos. Derivó una nueva órbita y nuevas previsiones de dónde buscar a Ceres.

El astrónomo húngaro Barón Franz Xaver von Zach buscó a Ceres con las previsiones de Gauss. Después de semanas de nubes frustrantes, von Zach finalmente vio el cielo claro el 31 de diciembre de 1801. Miró por el telescopio y finalmente vio a Ceres. No lo perdimos de vista desde entonces.

Hoy, hemos descubierto cientos de miles de asteroides. Muchos, incluyendo Ceres, orbitan alrededor del Sol entre Marte y Júpiter, mientras que algunos orbitan alrededor del Sol relativamente cerca de la Tierra. Hasta ahora, los astrónomos han descubierto 16 407 asteroides cercanos a la Tierra, pero como se descubren nuevos asteroides todo el tiempo, ese número debe haber aumentado en cientos o miles para cuando mires esto.

Hoy, los cazadores de asteroides usan telescopios modernos incluyendo uno en el espacio. Las computadoras analizan las imágenes, y los humanos chequeamos los resultados antes de informar las observaciones de asteroides a un centro de archivo. Se mide la órbita de cada asteroide descubierto. La órbita permite a los astrónomos predecir dónde estará un asteroide en cualquier momento. La mayoría de las trayectorias de asteroides puede predecirse unos 80 años, aunque podemos calcular dónde estarán  los asteroides más estudiados cada día entre ahora y 800 años en el futuro.

Debemos seguir buscando asteroides por si acaso uno de ellos entre en ruta de colisión con la Tierra. Sin embargo, los astrónomos no solo buscan asteroides. También los estudian para aprender cómo se formaron, de qué están hechos, y qué pueden decirnos del sistema solar.

Hoy podemos hacer algo que Piazzi solo podía soñar: enviar naves espaciales para estudiar asteroides de cerca. Una nave espacial llamada Dawn ha viajado miles de millones de km más de cuatro años hasta el cinturón de asteroides principal. Allí visitó Ceres y otro asteroide, Vesta.

Las impresionantes imágenes de Dawn transformaron el punto de luz de Piazzi en un espectacular paisaje de cráteres, desprendimientos de tierra, y montañas.

sábado, 8 de septiembre de 2018

¿Qué es la materia cuántica topológica?


¿Qué sucedería si la electricidad pudiera viajar para siempre sin disminuir? ¿Y si un computador pudiera procesar más rápido con exactitud perfecta? ¿Qué tecnologías podrían construir esas habilidades? Podríamos descubrirlo gracias al trabajo de los tres científicos que ganaron el Premio Nobel de Física en el 2016.

David Thouless, Duncan Haldane, y Michael Kosterlitz ganaron el premio por descubrir que incluso materia microscópica a la escala más pequeña puede presentar propiedades macroscópicas y fases topológicas. Pero, ¿qué significa eso?

Primero, la topología es una rama de las matemáticas que se enfoca en las propiedades fundamentales de los objetos. Las propiedades topológicas no cambian al expandir o doblar el objeto. El objeto tiene que ser rasgado o unido a nuevos lugares. Una dona y una taza de café son lo mismo para un topólogo porque ambas tienen un agujero. Tú podrías convertir una dona en una taza de café y aún tendrías solo un agujero. Esa propiedad topológica es constante. Por otro lado,  un pretzel tiene tres agujeros. No hay pequeños cambios que puedan convertir una dona en un pretzel. Tú tendrías que abrir dos agujeros nuevos.

Por mucho tiempo no estuvo claro si la topología era útil para describir los comportamientos de las partículas subatómicas. Eso sucede porque las partículas, como electrones y fotones, son objeto de las extrañas leyes de la física cuántica, que incluye bastante incertidumbre no observada a la escala de las tazas de café.

Pero los Premio Nobel descubrieron que las propiedades topológicas existen a nivel cuántico. Y ese descubrimiento puede revolucionar la ciencia de los materiales, la ingeniería electrónica, y las ciencias de la computación. Porque estas propiedades generan una estabilidad sorprendente y características extraordinarias para algunas fases exóticas de la materia en el delicado mundo cuántico.

Un ejemplo es el aislador topológico. Imagina una capa de electrones. Si un campo magnético fuerte pasa a través de ellos, cada electrón comenzará a moverse en círculos, lo que se llama una órbita cerrada. Como los electrones están atrapados en estos círculos, no conducen electricidad. Pero en el borde del material, las orbitas están abiertas, conectadas y apuntando en la misma dirección. Así, los electrones pueden saltar de una órbita a otra y viajar por todo el borde.

Esto significa que el material conduce electricidad alrededor del borde pero no en la mitad. Aquí es donde aparece la topología. La conductividad no se ve afectada por pequeños cambios en el material, como impurezas o imperfecciones. De la misma manera que el agujero en la taza de café no cambia al estirarlo. El borde del aislador topológico transporta electrones perfectamente: ningún electrón viaja al contrario, no hay pérdida de energía como calor, e incluso puede controlarse el número de caminos conductores. Podría crearse la electrónica del futuro para usar esta autopista perfecta de electrones.

Las propiedades topológicas de partículas subatómicas también pueden transformar la computación cuántica. Los computadores cuánticos aprovechan que las partículas subatómicas pueden estar en diferentes estados al mismo tiempo para guardar información en algo llamado "qubits". Los qubits pueden solucionar problemas exponencialmente más rápido que los computadores clásicos digitales. El problema es que estos datos son tan delicados que pueden ser destruidos al interactuar con el ambiente.

Pero en alguna fase topológica exótica, las partículas subatómicas pueden ser protegidas. En otras palabras, los qubits creados no pueden cambiar con perturbaciones locales o pequeñas. Los qubits topológicos serían más estables llevando a cálculos más exactos y mejores computadores cuánticos.

La topología fue originalmente estudiada como una rama de la matemática abstracta. Gracias al trabajo pionero de  Thouless, Haldane, and Kosterlitz, ahora sabemos que puede servir para entender los acertijos de la naturaleza y para revolucionar el futuro de las tecnologías.