Cómo los Rayos Cósmicos nos ayudan a reconstruir nuestra Historia.
¿Qué relación tienen los rayos Cósmicos que llegan a la Tierra desde el Espacio exterior, con el hecho de que podamos medir la edad de un fósil, una momia, un esqueleto, o un trozo de tela de lino?
Entre los años 1911 y 1913, Victor Hess, físico Austriaco, realizó una serie de viajes en globo a través de la atmósfera, a unos 5km de altura. Gracias a esto pudo determinar que las misteriosas radiaciones de aquellos tiempos (que hoy llamamos rayos cósmicos) provienen desde el cielo. Es más, determinó que provienen desde afuera del sistema Solar (y no del Sol). Este descubrimiento le valió el premio Nobel de Física en 1936.
Los rayos cósmicos son en su mayoría núcleos de Hidrogeno, aunque su composición es variada. Si bien no está 100% clara su procedencia, se cree que provienen de explosiones de Súper Novas, y los más energéticos, acelerados en zonas cercanas a agujeros negros supermasivos que contienen las galaxias.
A los rayos cósmicos provenientes desde el espacio se les denomina rayos cósmicos primarios. Estos, al impactar con las moléculas y átomos de la atmósfera generan una serie de colisiones, que producen un sinnúmero de otras partículas, a las que se les denomina rayos cósmicos secundarios. Una de las partículas generadas en esta cadena de reacciones, son los Neutrones.
Los Neutrones, al impactar con los abundantes átomos de Nitrógeno 14 (7 protones + 7 neutrones) presentes en la atmósfera, generan Carbono 14 (6 protones + 8 neutrones), o C14 (Librando en el proceso un Protón).
Sin embargo, el C14 no es estable (es radiactivo), y decae nuevamente en Nitrógeno 14 o N14 (emitiendo en el proceso un electrón y un antineutrino). La vida media del C14 se estima en unos 5730 años. Es decir, después de 5730 años, el 50% de los átomos de C14 de una determinada muestra decae a N14.
Debido a que los rayos cósmicos están continuamente generando C14 en la atmósfera, y este a su vez está continuamente decayendo en N14, se produce un estado de equilibrio en el que la cantidad de C14 respecto al Carbono Estable (Carbono 12 y Carbono 13), se mantiene constante en la atmósfera.
Los átomos de Carbono 14 se combinan con átomos de Oxígeno para formar Dióxido de Carbono (CO2). La concentración de C14 en la atmósfera fue por mucho tiempo de 1 átomo por cada 750.000 millones átomos de Carbono Total (C12 , C13 y C14).
Debido a que las plantas, en su proceso de fotosíntesis consumen Dióxido de Carbono (CO2), incorporan a su estructura tanto Carbono14 como Carbono estable, en la misma proporción que los contiene la atmósfera.
Dado a que las plantas son la base alimenticia, los animales también tenemos la misma proporción de Carbono 14 respecto al Carbono total (ingerimos las plantas de forma directa, o a través de animales que las ingirieron). Mientras plantas y animales se encuentran vivos, siguen incorporando C14 a su estructura, manteniendo la proporción.
Sin embargo, una vez se muere un ser vivo, ya no sigue incorporando C14 a sus moléculas, por lo que éste comienza a decaer. Al final de muchos miles de años, sólo quedará Carbono Estable y no habrá Carbono 14.
Pero como sabemos con qué tasa decae el C14, podemos determinar la fecha en la que murió ese ser vivo! Sólo basta con ver cuál es la proporción de C14 respecto al Carbono total, y se puede determinar la fecha en la que dejó de vivir. Si bien no se puede medir directamente la concentración de C14 de hace cientos o miles de años, se cree que ha sido estable debido a que las pruebas de este método en objetos a los que se le conoce su fecha, ha resultados exitosas.
A este método se le llama datación por radiocarbono, y ha sido de gran importancia para reconstruir nuestro pasado al poder determinar la fecha fósiles, momias, y cualquier resto de ser vivo que haya dejado de existir no más allá de 50.000 años atrás (incluso se pueden datar telas de origen orgánico, como el lino. De hecho, gracias a este método se determinó que el sudario de Turín nunca estuvo enterrado con Jesús, ya que su fecha de fabricación se determinó entre 1260 y 1390). En realidad el método es confiable para datar cosas que hayan dejado de vivir entre 500 y 50.000 años atrás. Este método fue desarrollado por Willard Liby, quien debido a esto, recibió el premio Nobel de Química en 1960.
Es impresionante pensar que gracias a los Rayos Cósmicos, algunos provenientes desde quizás miles de millones de años luz de distancia, una civilización en un pequeño planeta, pueda reconstruir su Historia (y Prehistoria) gracias a su efecto producido en la atmósfera.
Sin embargo no todo es tan bueno. El ser humano ha roto el equilibrio entre el Carbono 14 y el Carbono estable que había en la atmósfera, debido principalmente a dos razones.
La primera es la quema de combustibles fósiles, los que se generaron hace millones de años, por lo que ya no cuentan con carbono 14 (todo ya ha decaído). Al quemarlo, se envía a la atmósfera CO2 con Carbono estable, lo que altera la proporción C12/Carbono Estable de la atmósfera (disminuye esta razón).
La segunda, son las pruebas de armas nucleares durante la Guerra Fría. Esto produjo una cantidad gigantesca de C14 respecto al que se encontraba en la atmósfera para entonces. Esta intervención humana aumentó la razón C14/Carbono Total.
Debido a que no ha habido más pruebas nucleares de forma tan masiva, la concentración de C14 ha decaído rápidamente desde la década de los 70 (de forma casi exponencial inversa). Se espera que alrededor del 2030 la tasa C14/Carbono Total vuelva a un valor previo a la era industrial. Pero debido a que seguiremos quemando combustibles fósiles, la proporción de C14 volverá a bajar de su valor de equilibrio natural.
Esta serie de perturbaciones en la concentración de C14 en la atmósfera generará en el futuro complicaciones para datar por este método. Por ejemplo, para el año 2050, un ser vivo recién muerto, tendrá una concentración de C14 igual a uno que haya muerto en el año 1050. Es decir, utilizar el método de datación por radiocarbono podría producir ambigüedades si es que no se cuentan con otras herramientas que determinen a que época corresponde el objeto datado.
El primero en detectar el cambio en la concentración de C14 en la atmósfera fue Hans Suess en 1955, al medir las concentraciones de los anillos de árboles (Los anillos interiores se forman primero). Se detectaron cambios a partir de 1890. Desde los años 50 se mide esta concentración directamente.
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Referencias,
-Libro: “Física y Berenjenas”, de Andrés Gomberoff. Pgs 104-109.
-Libro: “A la Sombra del Asombro”, de Francisco Claro. Pg. 120.
-Libro: “Lo que Einstein no le contó a su Barbero”, de Robert L. Wolke. Pgs 161-166
-Paper:
“Impact of fossil fuel emissions on atmospheric radiocarbon and various applications of radiocarbon over this century”, por Heather D. Graven. Departamento de Física del Imperial College London. link:
http://www.pnas.org/content/pnas/early/2015/07/15/1504467112.full.pdf
Entre los años 1911 y 1913, Victor Hess, físico Austriaco, realizó una serie de viajes en globo a través de la atmósfera, a unos 5km de altura. Gracias a esto pudo determinar que las misteriosas radiaciones de aquellos tiempos (que hoy llamamos rayos cósmicos) provienen desde el cielo. Es más, determinó que provienen desde afuera del sistema Solar (y no del Sol). Este descubrimiento le valió el premio Nobel de Física en 1936.
Los rayos cósmicos son en su mayoría núcleos de Hidrogeno, aunque su composición es variada. Si bien no está 100% clara su procedencia, se cree que provienen de explosiones de Súper Novas, y los más energéticos, acelerados en zonas cercanas a agujeros negros supermasivos que contienen las galaxias.
A los rayos cósmicos provenientes desde el espacio se les denomina rayos cósmicos primarios. Estos, al impactar con las moléculas y átomos de la atmósfera generan una serie de colisiones, que producen un sinnúmero de otras partículas, a las que se les denomina rayos cósmicos secundarios. Una de las partículas generadas en esta cadena de reacciones, son los Neutrones.
Los Neutrones, al impactar con los abundantes átomos de Nitrógeno 14 (7 protones + 7 neutrones) presentes en la atmósfera, generan Carbono 14 (6 protones + 8 neutrones), o C14 (Librando en el proceso un Protón).
Sin embargo, el C14 no es estable (es radiactivo), y decae nuevamente en Nitrógeno 14 o N14 (emitiendo en el proceso un electrón y un antineutrino). La vida media del C14 se estima en unos 5730 años. Es decir, después de 5730 años, el 50% de los átomos de C14 de una determinada muestra decae a N14.
Debido a que los rayos cósmicos están continuamente generando C14 en la atmósfera, y este a su vez está continuamente decayendo en N14, se produce un estado de equilibrio en el que la cantidad de C14 respecto al Carbono Estable (Carbono 12 y Carbono 13), se mantiene constante en la atmósfera.
Los átomos de Carbono 14 se combinan con átomos de Oxígeno para formar Dióxido de Carbono (CO2). La concentración de C14 en la atmósfera fue por mucho tiempo de 1 átomo por cada 750.000 millones átomos de Carbono Total (C12 , C13 y C14).
Debido a que las plantas, en su proceso de fotosíntesis consumen Dióxido de Carbono (CO2), incorporan a su estructura tanto Carbono14 como Carbono estable, en la misma proporción que los contiene la atmósfera.
Dado a que las plantas son la base alimenticia, los animales también tenemos la misma proporción de Carbono 14 respecto al Carbono total (ingerimos las plantas de forma directa, o a través de animales que las ingirieron). Mientras plantas y animales se encuentran vivos, siguen incorporando C14 a su estructura, manteniendo la proporción.
Sin embargo, una vez se muere un ser vivo, ya no sigue incorporando C14 a sus moléculas, por lo que éste comienza a decaer. Al final de muchos miles de años, sólo quedará Carbono Estable y no habrá Carbono 14.
Pero como sabemos con qué tasa decae el C14, podemos determinar la fecha en la que murió ese ser vivo! Sólo basta con ver cuál es la proporción de C14 respecto al Carbono total, y se puede determinar la fecha en la que dejó de vivir. Si bien no se puede medir directamente la concentración de C14 de hace cientos o miles de años, se cree que ha sido estable debido a que las pruebas de este método en objetos a los que se le conoce su fecha, ha resultados exitosas.
A este método se le llama datación por radiocarbono, y ha sido de gran importancia para reconstruir nuestro pasado al poder determinar la fecha fósiles, momias, y cualquier resto de ser vivo que haya dejado de existir no más allá de 50.000 años atrás (incluso se pueden datar telas de origen orgánico, como el lino. De hecho, gracias a este método se determinó que el sudario de Turín nunca estuvo enterrado con Jesús, ya que su fecha de fabricación se determinó entre 1260 y 1390). En realidad el método es confiable para datar cosas que hayan dejado de vivir entre 500 y 50.000 años atrás. Este método fue desarrollado por Willard Liby, quien debido a esto, recibió el premio Nobel de Química en 1960.
Es impresionante pensar que gracias a los Rayos Cósmicos, algunos provenientes desde quizás miles de millones de años luz de distancia, una civilización en un pequeño planeta, pueda reconstruir su Historia (y Prehistoria) gracias a su efecto producido en la atmósfera.
Sin embargo no todo es tan bueno. El ser humano ha roto el equilibrio entre el Carbono 14 y el Carbono estable que había en la atmósfera, debido principalmente a dos razones.
La primera es la quema de combustibles fósiles, los que se generaron hace millones de años, por lo que ya no cuentan con carbono 14 (todo ya ha decaído). Al quemarlo, se envía a la atmósfera CO2 con Carbono estable, lo que altera la proporción C12/Carbono Estable de la atmósfera (disminuye esta razón).
La segunda, son las pruebas de armas nucleares durante la Guerra Fría. Esto produjo una cantidad gigantesca de C14 respecto al que se encontraba en la atmósfera para entonces. Esta intervención humana aumentó la razón C14/Carbono Total.
Debido a que no ha habido más pruebas nucleares de forma tan masiva, la concentración de C14 ha decaído rápidamente desde la década de los 70 (de forma casi exponencial inversa). Se espera que alrededor del 2030 la tasa C14/Carbono Total vuelva a un valor previo a la era industrial. Pero debido a que seguiremos quemando combustibles fósiles, la proporción de C14 volverá a bajar de su valor de equilibrio natural.
Esta serie de perturbaciones en la concentración de C14 en la atmósfera generará en el futuro complicaciones para datar por este método. Por ejemplo, para el año 2050, un ser vivo recién muerto, tendrá una concentración de C14 igual a uno que haya muerto en el año 1050. Es decir, utilizar el método de datación por radiocarbono podría producir ambigüedades si es que no se cuentan con otras herramientas que determinen a que época corresponde el objeto datado.
El primero en detectar el cambio en la concentración de C14 en la atmósfera fue Hans Suess en 1955, al medir las concentraciones de los anillos de árboles (Los anillos interiores se forman primero). Se detectaron cambios a partir de 1890. Desde los años 50 se mide esta concentración directamente.
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Referencias,
-Libro: “Física y Berenjenas”, de Andrés Gomberoff. Pgs 104-109.
-Libro: “A la Sombra del Asombro”, de Francisco Claro. Pg. 120.
-Libro: “Lo que Einstein no le contó a su Barbero”, de Robert L. Wolke. Pgs 161-166
-Paper:
“Impact of fossil fuel emissions on atmospheric radiocarbon and various applications of radiocarbon over this century”, por Heather D. Graven. Departamento de Física del Imperial College London. link:
http://www.pnas.org/content/pnas/early/2015/07/15/1504467112.full.pdf
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