EPÓNIMOS RELACIONADOS CON LA FÍSICA

 FENÓMENOS FÍSICOS

Esquema de campos de ondas magnetohidrodinámicas (MHD). Arriba: Ondas de Alfvén, también conocidas como ondas de Arlfvén torsionales u ondas de Alfvén de corte. Abajo: ondas MHD de compresión, también conocidas como ondas de Alfvén de compresión u ondas magnetosónicas.

Las ondas de Alfvén son perturbaciones veloces que emanan desde el Sol hacia afuera a lo largo de los campos magnéticos, transportando energía electrodinámica. Se manifiestan como oscilaciones en la corona del Sol, y se cree que son las responsables de que la corona solar esté mucho más caliente que la propia superficie del sol.^[1]

Etimología

Las ondas llevan el nombre del nobel de física Hannes Alfvén quien publicó en 1942 en la revista Nature la existencia de las ondas magnetohidrodinámicas.

Definición

Una onda Alfvén en un plasma es una oscilación viajante de baja frecuencia (comparada con la frecuencia de ciclotrón del ion) de los iones y campo magnético. La densidad de masa del ion provee la inercia y la tensión de línea del campo magnético provee la fuerza restauradora.

La onda se propaga en la dirección del campo magnético, aunque las ondas existen en incidencia oblicua y suavemente cambia en la onda magneto-sónica cuando la propagación es perpendicular al campo magnético.

El movimiento de los iones y la perturbación del campo magnético son en la misma dirección y transversa a la dirección de propagación. La onda no tiene dispersión.

Simbología

Símbolo	Nombre	Unidad
${\displaystyle \epsilon }$	Permeabilidad relativa
${\displaystyle {\mu }_o}$	permeabilidad electromagnética
${\displaystyle \rho }$	Densidad de masa
${\displaystyle a}$	Denota la escala característica del sistema
${\displaystyle B}$	Intensidad del campo magnético
${\displaystyle c}$	Velocidad de la luz
${\displaystyle e}$	Densidad de energía total de las partículas de plasma
${\displaystyle m_i}$	Masa de los iones
${\displaystyle n_i}$	Número de la densidad iónica
${\displaystyle P}$	Presión de plasma total
${\displaystyle P_m}$	Presión magnética
${\displaystyle v}$	Velocidad de fase
${\displaystyle v_A}$	Velocidad de la onda de Alfvén

Velocidad de Alfvén

Deducción

	Velocidad de fase		Permeabilidad relativa	Densidad
Fórmulas	${\displaystyle v=\frac{c}{\sqrt{\epsilon }}}$	${\displaystyle v=\frac{v_A}{\sqrt{1+\frac{v_A^2}{c^2}}}}$	${\displaystyle \epsilon =1+(\frac{c^2{\mu }_o\rho }{B^2})}$	${\displaystyle \rho =\mathrm{\Sigma }{n}_s{m}_s}$
Sustituyendo	${\displaystyle \frac{v_A}{\sqrt{1+\frac{v_A^2}{c^2}}}=\frac{c}{\sqrt{1+(\frac{c^2{\mu }_o\rho }{B^2})}}}$
Elevando al cuadrado	${\displaystyle \frac{v_A^2}{1+\frac{v_A^2}{c^2}}=\frac{c^2}{1+(\frac{c^2{\mu }_o\rho }{B^2})}}$
Despejando	${\displaystyle v_A^2[1+(\frac{c^2{\mu }_o\rho }{B^2})]=c^2(1+\frac{v_A^2}{c^2})}$
Reduciendo	${\displaystyle v_A^2+v_A^2(\frac{c^2{\mu }_o\rho }{B^2})=c^2+v_A^2}$
Simplificando	${\displaystyle v_A=\frac{B}{\sqrt{{\mu }_o\rho }}}$
Sustituyendo	${\displaystyle v_A=\frac{B}{\sqrt{{\mu }_o{n}_i{m}_i}}}$

${\displaystyle v_A\approx (2.18\text{x}{10}^{11}cm{s}^{-1})(\frac{m_i}{m_p}{)}^{-1/2}(\frac{n_i}{c{m}^{-3}}{)}^{-1/2}(\frac{B}{gauss})}$

Tiempo de Alfvén

En física de plasma, el tiempo de Alfvén es una escala temporal importante para fenómeno de onda.

${\displaystyle {\tau }_A=\frac{a}{v_A}}$

${\displaystyle a}$ puede ser el radio menor del toro en un tokamak.

Caso relativista

En 1993, Gedalin derivó la velocidad de onda Alfvén utilizando magneto-hidrodinámica relativista:

${\displaystyle v=\frac{c}{\sqrt{1+(\frac{e+P}{2P_m})}}}$

${\displaystyle P_m=\frac{B^2}{2{\mu }_o}}$

En el límite no relativista (${\displaystyle P\ll e\approx \rho c^2}$), y recuperamos inmediatamente la expresión de la sección anterior.

Historia

El problema del calentamiento coronal

El estudio de las ondas Alfvén comenzó cuando el problema del calentamiento coronal, una cuestión de larga tiempo en helio-física. Era incierto porque la temperatura de la corona solar es caliente (cerca de un millón de Kelvin) comparada con la superficie (la fotosfera), la cual es solo algunos miles de Kelvin. Intuitivamente, se podría tener sentido ver un decremento en temperatura cuando se mueve lejos de la fuente de calor, pero esto no parece ser el caso, aun cuando la foto-esfera es más densa y genera más calor que la corona.

En 1942, Hannes Alfvén propuso en "Nature" la existencia de una onda electromagnética-hidrodinámica la cual podría llevar energía desde la fotosfera para calentar la corona y el viento solar. Él clamó que el Sol tenía todo el criterio necesario para soportar estas ondas y debe en retorno ser responsable de las manchas solares. Él estableció:

Si un líquido conducido es situado en un campo magnético constante, cada movimiento del líquido da aumento a un E.M.F., el cual produce corrientes eléctricas. Debido al campo magnético, estas corrientes dan fuerzas mecánicas, las cuales cambian el estado de movimiento del líquido. Así, un tipo de combinación de onda electromagnética-hidrodinámica es producida.

Esto eventualmente, retorna a ser ondas Alfvén. Él recibió el Premio Novel de Física de 1970 por su descubrimiento.

Estudios experimentales y observaciones

La zona de convección del Sol, la región abajo de la fotosfera en la cual la energía es transportada principalmente por convección, es sensitiva al movimiento del núcleo debido a la rotación del Sol. Junto con gradientes de presión variantes bajo la superficie, las fluctuaciones electromagnéticas producidas en la zona de convección inducen movimientos aleatorios en la superficie fotosférica produce ondas de Alfvén. Las ondas, entonces, dejan la superficie, viajan a través de la cromosfera y zona de transición, e interactúan con el plasma ionizado. La onda misma lleva energía y algo del plasma eléctricamente cargado.

En los tempranos 1990, De Pontieu y Haerendel sugirieron que las ondas Alfvén deben también ser asociadas con los chorros de plasma conocidos como espículas. Fue teorizado que estos breves chorros de gas supercaliente fue llevado por la combinación de energía y momento de su propia velocidad hacia arriba, así como el movimiento oscilatorio transversal de las ondas de Alfvén.

En 2007, las ondas de Alfvén fueron reportadas observadas por primera vez viajando a través de la corona por Tomcyzk et al., pero sus predicciones no pudieron concluir que la energía llevada por las ondas de Alfvén era suficiente para calentar la corona a su enorme temperatura, para las amplitudes observadas para las ondas no era suficientemente alta. Sin embargo, en 2011, Mcintosh et al. reportaron la observación de ondas de Alfvén altamente energéticas combinadas con espículas energéticas, los cuales pueden sostener el calentamiento de la corona a sus millones de Kelvin de temperatura. Estas amplitudes observadas (20.0 km / s contra lo observado en 2007 de 0.5 km / s) contiene unas cien veces más energía que las observadas en 2007. El corto período de las ondas también permite más transferencia de energía en la atmósfera coronal. Las espículas de 50 000 km de largo deben también jugar una parte en acelerar el viento solar después de pasar la corona.

Sin embargo, los descubrimientos, mencionados arriba, de las ondas de Alfvén en la compleja atmósfera del Sol, comenzando en la era Hinode en 2007, para los próximos diez años, mucho cae en el reino de ondas de Alfvén generadas esencialmente como un modo mezclado debido a la estructuración transversa de las propiedades magnéticas y del plasma en los tubos de flujo localizado. En 2019, Jess et al. reportaron la variación periódica de líneas de espesor H-alfa tal como observó mediante el Telescopio Solar Sueco (SST), arriba de puntos brillantes de la cromosfera. Ellos reclamaron la primera detección directa de período largo (126 - 700 s) de ondas de Alfvén incompresibles, torsionales en la atmósfera baja solar.

Después del trabajo seminal de Jess et al. (2009), en 2017 Srivastava et al. detectaron la existencia de ondas de Alfvén torsionales de alta frecuencia en los tubos de flujo finamente estructurados de la cromosfera del Sol. Descubrieron que estas ondas de alta frecuencia transportan energía sustancial capaz de calentar la corona del Sol y también originando el viento solar supersónico. En 2018, utilizando observación de imágenes espectrales, inversiones no-LTE (local thermodynamic equilibrium) y extrapolaciones de campo magnético de la atmósfera de manchas solares, Grant et al. encontraron evidencia de ondas de Alfvén elípticas polarizadas formando choques de modo rápido en las regiones exteriores del umbral de atmósfera de cromosfera. Dieron una cuantificación de los grados de calor físico dados por la disipación de tales modos de onda de Alfvén arriba de regiones de manchas activas.

Las ondas de Rayleigh son un tipo de onda acústica superficial que viaja a lo largo de la superficie de los sólidos. Se pueden producir en materiales de muchas maneras, como por impacto localizado o por transducción piezoeléctrica, y se usan con frecuencia en ensayos no destructivos para detectar defectos. Las ondas de Rayleigh son parte de las ondas sísmicas que producen en la Tierra los terremotos. Cuando se las guía en capas, se las denomina ondas Lamb, ondas Rayleigh-Lamb u ondas Rayleigh generalizadas.

Características

Esquema de una onda de Rayleigh.

Comparación de la velocidad de una onda de Rayleigh con las velocidades de las ondas de corte y longitudinal en un material elástico isotrópico. Las velocidades están expresadas mediante unidades adimensionales.

Las ondas de Rayleigh son un tipo de onda de superficie que se desplaza cerca de la superficie de los sólidos. Las ondas de Rayleigh incluyen movimientos longitudinales y transversales cuya amplitud disminuye exponencialmente a medida que aumenta la distancia desde la superficie. Hay una diferencia de fase entre estos componentes del movimiento.^[1]

La existencia de las ondas de Rayleigh fue predicha en 1885 por Lord Rayleigh, en cuyo honor fueron denominadas.^[2] En los sólidos isotrópicos, estas ondas hacen que las partículas de la superficie se desplacen en elipses en planos normales a la superficie y paralelos a la dirección de propagación: el eje principal de la elipse es vertical. En la superficie y a poca profundidad, este movimiento es retrógrado, es decir, el movimiento en el plano de una partícula es en sentido antihorario cuando la onda viaja de izquierda a derecha. A mayores profundidades, el movimiento de la partícula se convierte en progrado. Además, la amplitud de movimiento decae y la excentricidad cambia a medida que aumenta la profundidad en el material. La profundidad a la que se observan desplazamientos significativos en el sólido es aproximadamente igual a la longitud de onda acústica. Las ondas de Rayleigh son distintas de otros tipos de ondas acústicas de superficie o guiadas, como las ondas de Love o las ondas de Lamb, ambas son tipos de ondas guiadas soportadas por una capa, u ondas longitudinales y de corte, que viajan en masa.

Las ondas de Rayleigh tienen una velocidad ligeramente menor que las ondas de corte por un factor que depende de las constantes elásticas del material.^[1] La velocidad típica de las ondas de Rayleigh en los metales es del orden de 2-5 km/s, y la velocidad típica de la onda de Rayleigh en el suelo es del orden de 50-300 m/s. Para los materiales elásticos lineales con relación de Poisson positiva (), la velocidad de onda de Rayleigh se puede aproximar como ${\displaystyle c_R/c_S=\frac{0.862+1.14\nu }{1+\nu }}$.^[3] Debido a que las ondas de Rayleigh están confinadas zonas cerca de la superficie, su amplitud en el plano cuando es generada por una fuente puntual decae como ${\displaystyle 1/\sqrt{r}}$, donde ${\displaystyle r}$ es la distancia radial. Por lo tanto, las ondas superficiales decaen más lentamente con la distancia que las ondas masivas, que se extienden en tres dimensiones desde una fuente puntual. Este lento decaimiento es una de las razones por las cuales son de particular interés para los sismólogos. Las ondas de Rayleigh pueden rodear la Tierra varias veces después de un gran terremoto y aún ser considerablemente grandes como para ser detectadas y medidas.

En el ámbito de la sismología, las ondas de Rayleigh (denominada "rolado de superficie") son el tipo de onda superficial más importante, y pueden ser producidas (además de por terremotos), por ejemplo, por ondas oceánicas, por explosiones, por trenes y vehículos de superficie, o por el impacto de un sledgehammer.^[1][4]

Ondas de Rayleigh en ensayos no destructivos

Las ondas de Rayleigh son ampliamente utilizadas para caracterizar materiales, para detectar propiedades mecánicas y estructurales del objeto que se analiza – como por ejemplo la presencia de fisuras, y el módulo de cizalladura relacionado. Ello es común a otros tipos de ondas superficiales.^[5] Las ondas de Rayleigh que se utilizan con estos fines poseen un rango de frecuencias ultrasónicas.

Se las utiliza en distintas escalas de longitud ya que son fáciles de producir y detectar en la superficie libre de los objetos sólidos. Dado que se encuentran confinadas a una zona cercana a la superficie libre con una profundidad del orden de la longitud de onda relacionada con la frecuencia de la onda, se pueden usar diferentes frecuencias para caracterización en diferentes escalas de longitud.

Ondas de Rayleigh en dispositivos electrónicos

Las ondas de Rayleigh que se propagan a frecuencias ultrasónicas altas (10–1000 MHz) son muy usadas en diferentes tipos de dispositivos electrónicos.^[6] Además de las ondas de Rayleigh, algunos otros tipos de ondas acústicas superficiales (SAW: por su acrónimo en idioma inglés), por ejemplo las ondas de Love, también son usadas con dicho propósito. Ejemplos de dispositivos electrónicos en los que se utilizan ondas de Rayleigh son filtros, resonadores, osciladores, sensores de presión, temperatura, humedad, etc. La operación de dispositivos SAW se basa en la transformación de la señal electrónica inicial en una onda superficial que, luego de sufrir cambios del espectro de la señal eléctrica inicial mediante su interacción con diferentes tipos de inhomogeneidades superficiales,^[7] es transformada nuevamente en una señal eléctrica modificada. La transformación de la energía eléctrica inicial en energía mecánica (en una SAW) y viceversa es por lo general llevada a cabo mediante el uso de materiales piezoeléctricos tanto para producir como para captar ondas de Rayleigh como para su propagación.

Ondas de Rayleigh en geofísica

Ondas de Rayleigh de terremotos

Como las ondas de Rayleigh son ondas superficiales, la amplitud de estas ondas producidas por un terremoto por lo general disminuye exponencialmente de acuerdo a la profundidad del hipocentro (foco). Sin embargo, los terremotos de gran magnitud pueden producir ondas de Rayleigh que recorren el contorno de la Tierra varias veces antes de disiparse.

En el ámbito de la sismología las ondas longitudinales y las ondas de corte denominadas ondas P y ondas S, respectivamente, y son identificadas como ondas de volumen. Las ondas de Rayleigh son generadas por la interacción entre las ondas P y S en la superficie de la Tierra, y viajan con una velocidad que es menor que la velocidad de las ondas P, S, y de las ondas de Love. Las ondas de Rayleigh que surgen del epicentro de un terremoto se desplazan por la superficie de la Tierra a una velocidad 10 veces la velocidad del sonido en el aire (0.340 km/s), o sea ~3 km/s.

Debido a su mayor velocidad las ondas S y P producidas por un terremoto llegan antes que las ondas superficiales. Sin embargo, el movimiento de las partículas de las ondas superficiales es más grande que el movimiento producido por las ondas de volumen, por lo que las ondas superficiales tienden a causar un mayor daño. En el caso de las ondas de Rayleigh, el movimiento es un rolado, similar al de las olas en el océano. La intensidad de los remezones producidos por una onda de Rayleigh en un cierto sitio depende de varios factores:

Dirección de una onda de Rayleigh.

• La magnitud del terremoto.
• La distancia al epicentro del terremoto.
• La profundidad del terremoto.
• La estructura geológica de la corteza terrestre.
• El mecanismo focal del terremoto.

La estructura geológica local puede servir para enfocar o desenfocar las ondas de Rayleigh, dando lugar a diferencias significativas con respecto a la intensidad de las sacudidas en sitios no muy distantes entre sí.

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Animación de la resonancia Schumann

Representación de los primeros tres modos de la frecuencia de Schumann como ondas estacionarias contenidas entre la superficie de la Tierra y la ionosfera.

Frecuencia fundamental aproximada, y primeros armónicos. (Gráfico en idioma japonés).

El físico alemán Winfried Schumann (1888-1974), descubridor de la resonancia electrónica de los relámpagos.

La resonancia Schumann es un conjunto de picos en la banda de ELF (extremely low frequencies: ‘frecuencia extremadamente baja’) del espectro electromagnético de la Tierra.

Este fenómeno sucede porque el espacio entre la superficie terrestre y la ionosfera (que existe entre los 90 y los 500 km de altura) actúa como una guía de onda. Las limitadas dimensiones terrestres provocan que esta guía de onda actúe como cavidad resonante para las ondas electromagnéticas en la banda ELF. La cavidad es excitada de manera natural por los relámpagos, y también, dado que su séptimo sobretono (armónico) se ubica aproximadamente en 60 Hz, también influyen las redes de transmisión eléctrica en los territorios en donde se emplea corriente alterna en esa frecuencia.

La frecuencia más baja, y al mismo tiempo la intensidad más alta, de la resonancia de Schumann se sitúa en aproximadamente 7,83 Hz. Los sobretonos detectables se extienden hasta el rango de los kHz (kilohercios).

Este fenómeno se llama así en honor de Winfried Otto Schumann (1888-1974), que predijo matemáticamente su existencia en 1952,^[1] a pesar de ser observada por primera vez por Nikola Tesla y formar la base de su esquema para transmisión de energía y comunicaciones inalámbricas.^[2]

La primera representación espectral de este fenómeno fue preparada por Balser y Wagner en 1960.^[1]

Pseudociencia

Resonancia de los relámpagos y las ondas alfa

En algunos sitios de internet y libros,^[3][4][5] realizan afirmaciones no científicas, asociando dichas ondas con las ondas alfa, y adjudicándoles un papel en los procesos biológicos.

Entre los errores de estas publicaciones se encuentran los siguientes:

• Adjudican a las ondas Schumann una frecuencia exacta e invariable de 7,8 Hz,^[3][4] aunque esta es aproximada y variable.^[6][1] Incluso las ondas Schumann no están presentes constantemente (requieren que haya relámpagos en algún lugar del mundo).^[1]
• Adjudican a las ondas alfa una frecuencia exacta e invariable, también de 7,8 Hz,^[3][4] aunque estas varían entre 8 y 12 Hz.^[7] Las ondas alfa no son frecuentes en los niños,^[8] lo que descartaría que sean imprescindibles.
• Consideran que las ondas alfa son ondas sincronizadoras de neuronas,^[3][4] cuando en realidad es al contrario: se considera que son producto de la sincronización de las neuronas.^[9] Es decir que dichas publicaciones pseudocientíficas confunden la causa con el efecto.
• No poseen citas ni referencias a artículos científicos con revisión por pares, ni a ensayos concluyentes.
• No poseen ninguna explicación del supuesto mecanismo, ni ensayos falsables que lo demuestren.
• Caen en la falacia lógica cum hoc ergo propter hoc (‘correlación no implica causalidad’).

Resonancia de los relámpagos y la velocidad de rotación terrestre

En 2008, el escritor estadounidense Gregg Braden (Misuri, 1954) afirmó (sin aportar evidencias) que desde 1980 las resonancias Schumann habían aumentado desde 7,8 Hz a 12,0 Hz.^[10]

El creador del bulo afirmó también que el planeta Tierra estaba girando más rápido. Llegó a esa conclusión acientífica mediante una regla de tres inversa: si 8 Hz correspondían a una rotación de la Tierra de veinticuatro horas, entonces 12 Hz corresponderían a una rotación de la Tierra de dieciséis horas.

The resonance of Earth (Schumann resonance) has been 7.8 Hz for thousands of years. Since 1980 it has risen to over 12 Hz.
This means that 16 hours now equate to a 24 hour day.
Time is speeding up!

La resonancia de la Tierra (resonancia Schumann) ha sido de 7,8 Hz durante miles de años. Desde 1980 se ha elevado a más de 12 Hz.
Esto significa que un día de 24 horas equivale ahora a 16 horas.
¡El tiempo se está acelerando!

En noviembre de 2013, varios periódicos de papel y sitios de Internet difundieron el mismo bulo traducido al español.^[