Enseñanza de las Ciencias de la Tierra, 2013 (21.3) – 243ISSN: 1132-9157 – Pags. 243-253

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cos¿En qué se parecen un bólido y un terremoto?: Pro-

cesos geofísicos asociados a las caídas de meteoritos

How similar are a bolide and an earthquake? Geophysical processes associated with meteorite falls

MarTapia1yJosepM.Trigo-Rodríguez2

1 Laboratori d’Estudis Geofísics Eduard Fontserè – Institut d’Estudis Catalans (LEGEF-IEC). C/Carme 47, 08001 Barcelona. mtapia@iec.cat.

2 Grupo de Meteoritos, Cuerpos Menores y Ciencias Planetarias. Instituto de Ciencias del Espacio (CSIC-IEEC), Campus UAB, Facultat de Ciències, C5-p2, 08193 Bellaterra (Barcelona), Spain. trigo@ice.csic.es.

Resumen Unterremotoyunbólidoapesardesudiferentenaturalezaprovocanfenómenosgeofísicosquepuedensertratadosconlasmismastécnicasdeanálisis.Estosfenómenossonlageneracióndeondasmecánicasquesepropaganatravésdemedioscontinuosynonecesariamentedebidoasuimpactoconelsuelo.Unbólidoensuentradaalaatmósferatambiéngeneraondas.Losmeteoroidespenetranenlaatmósferaavelocidadeshipersónicasquerompenlabarreradelsonidoy,aveces,sefragmentangenerandoviolentosestallidosconocidoscomoairbursts.Comoondasqueson,tantolasgeneradasporunterremotocomoporunbólido,sufriránelmismotipodeefectos:reflexión,refracción,dispersión,atenuacióndelaenergía,etc.Enesteartículosepretendeusarestassimilitudesparaexplicarciertamenteenquéseparecenunbólidoyunterremotoycomolosgeofísicos,particularmentelossismólogos,podemosayudarconnuestrosestudiosalosastrónomosdedicadosalestudiodebólidosymeteoritos.Deigualformatambiénsepretendequeeltemadeesteartículosirvacomoejeconductorparaexplicarysugerirexperienciasalalumnadosobretodaunaseriedeconceptosyfenomenologíasqueamenudocuestaimaginaracercadelasondas.

Palabrasclave:Bólido,estallidoatmosférico,meteorito,ondas,terremoto,geofísica.

Abstract Despite their different nature, an earthquake and a bolide produce geophysical phenomena that can be treated with the same techniques of analysis. These phenomena are the generation of mechanical waves propagating through continuous media and not necessarily because of its impact with the ground. A bolide entering the atmosphere also generates waves. The meteoroids penetrate into the atmosphere at hypersonic velocities breaking the sound barrier and are, sometimes, fragmented producing a violent explosions called airbursts. Being waves whether they are generated by an earthquake, or by a bolide, they undergo the same kinds of effects: reflection, refraction, dispersion, attenuation of energy, etc. The present paper intends to use these similarities to explain what certainly look like a bolide (or meteorite) and an earthquake and how geophysicists, particularly the seismologists, can, with their research help of astronomers who study bolides and meteorites. Similarly it is also intended that the scope of this article will serve as a guide to explain and suggest experiences to students on a range of concepts and phenomenology related to waves that are often difficult to visualize.

Keywords: Fireball, airburst, meteorite, waves, earthquake, geophysics.

¿QUÉ TIENEN EN COMÚN LOS BÓLIDOS Y LOS TERREMOTOS? LAS ONDAS MECÁNICAS

Aprimeravistapodríamospensarqueunterre-motoyunbólidonoguardannadaencomún.Enelprimer caso un terremoto es un fenómeno naturalocurridoenelinteriordelaTierraestudiadoporlossismólogosygeofísicos.Encambio,unbólidoeselfenómenonaturalasociadoalaentradadeunme-teoroideagranvelocidadestudiadoporlosastróno-

mosqueocurreenlaatmósferadebidoalaentradaenelladeunobjetoexterioralaTierra.

Pero, al estudiar más a fondo estos dos fenó-menosvemosqueposeenunacaracterísticacomúnquehacequelossismólogospuedandarselamanocon losastrónomosenelestudiode lascaídasdemeteoritos. Ambos fenómenos producen una per-turbación en el medio en donde están ocurriendoygeneranondas.Lasondas sonelobjetoprincipaldeestudiodelossismólogosparaelestudiodelos

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terremotos y, por tanto, los métodos utilizados sepodránaplicaralasondasgeneradasporbólidosalpenetrar en la atmósfera y así extraer informacióncomplementariaalosestudiosastronómicos.

Un terremoto genera básicamente tres tiposde ondas sísmicas: primarias (P), secundarias (S)ysuperficiales(LoveyRayleigh) comolasqueseobservan en la Fig. 1 que viajan por el interior ysuperficie de la Tierra. En cambio un bólido o unmeteoritosegúnelcaso,puedengenerarondasdesonidoenlaatmósferayondassísmicasqueviajenporlaTierracomolasquesemuestranenlaFig.2,produciéndoseenalgunosdeloscasosunatrans-formaciónentreondadesonidoyondasísmica.Unterremoto, si es suficientemente energético parahacer vibrar la superficie de la Tierra cual piel deun tambor, también acabará generando ondas desonidoenlaatmósfera.

LOS TERREMOTOS, SUS ONDAS Y ALGUNAS TÉCNICAS DE ESTUDIO

Definición de terremotoVayamos por partes. Antes de afirmar que un

sismólogopuedeaplicarsusconocimientosalfenó-menodelosbólidos¿porquénoexplicarloquees

unterremoto?Esunaliberacióndeenergíaqueseproduceenuncortoespaciodetiempoalromperseo moverse masas de roca en la litosfera, es decir,una rotura o fricción en la capa sólida superficialdelaTierra.Estaliberacióndeenergíarepentinanopuedequedarseconcentradayquieta,queeracomoestabaprecisamentealmacenadaenlasrocasmien-tras estas estaban deformadas antes de romperseformando el terremoto. Una vez las rocas rompen,laenergíaliberadasetransmitealrededoryviajaatravésdelmedioenformadeondassísmicas.Dehe-cho,unterremotonoesmásquelaproduccióndeondas mecánicas,lascualesparagenerarsenecesi-tandeunaperturbaciónofoco(emisióndeenergía),enestecasoelpropioterremotoy,obviamente,unmediofísicoparapropagarse.

Las ondas mecánicasLas ondas mecánicas en general se definen

comoaquellasondasqueparadesplazarsenecesi-tandeunmedioelásticodetalformaquelaspartí-culasdeesemediooscilaránalrededordeunpuntofijoalpasodelaonda(véaseCuadroalmargen1).Noexistirápuesuntransportedematerialsinosim-plemente de energía en el espacio. La velocidad alaquelaondasedesplacedependerádelascarac-terísticasfísicasdelmaterialenelqueesté.Esteesel punto importante para los geofísicos sobretodolosdedicadosalasismologíadeexploración,enlacualseestudianlasvelocidaddelasondasqueseregistranparadeducirlaspropiedadesdelmedioyasípoderdescubrirporejemplo,reservasnaturalesdegasohidrocarburos,sinnecesidaddeperforarelsubsuelo.Porotroladoelconocimientodelasvelo-cidadesdelasondassísmicasesloquepermitelo-calizarloshipocentrosolugaresdondeseproducenlosterremotos.

Tipos de ondasEnunpéndulodeNewton,laondadesplazalas

partículasenlamismadirecciónquelaperturbacióninicial.Esun tipodeondamecánica llamadaondalongitudinal,peronoeselúnicocaso.Tambiénhayotrasondasquedesplazanlaspartículasensentidoperpendicular al avance de la onda, denominadasondas transversales. Este desplazamiento de laspartículas transversalmente al avance de la ondacabeobservarquesepuederealizarsilaspartículasentresíestánligadasdealgúnmodoporquesinónopuedentransmitiresemovimientotransversalhaciaunadirecciónperpendicular,esloquesedenominatécnicamentequeelmediotengarigidez.Esporesoquelasondastransversalesnopuedengenerarseytransmitirseenunmediolíquido(véaseCuadro2).¿Quiénnohaqueridomojaraotroen laplaya?Fi-jémonosquesiempreimpulsamoselagua,esdecirrealizamos la perturbación, en la misma direccióndonde está nuestro amigo-objetivo, y que si lo hi-ciéramosperpendicularmenteloqueproduciríamosserían ondas igualmente longitudinales en una di-recciónnodeseada.

Las ondas sísmicasCasisinquerer,hablandodeondasengeneraly

luegodeondaslongitudinalesytransversales,hemosdefinidodosdelasondasmásimportantesqueinter-

Fig. 1. Ondas de un terremoto y cómo se observan en un sismograma obtenido en una estación sísmica (círculo). Modificado de Upseis: an educational site for budding seismologists (http://www.geo.mtu.edu/UPSeis/reading.html)

Fig. 2. Esquema general de la generación de ondas por parte de un bólido. Tres momentos de generación de ondas: a) Entrada hipersónica b) Explosiones asociadas a la fragmentación o disrupción del meteoroide c)Generación de ondas sísmicas por impacto. Dos momentos de la transformación de ondas: (d) Onda de sonido al interactuar con el suelo y Generación de ondas sísmicas que viajan una distancia hasta la estación sísmica, triángulo (e) Generación directa de ondas sísmicas en los alrededores de la estación sísmica (adaptado de P.Brown). El triángulo representa una estación sísmica.

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CUADRO1.EXPERIMENTANDO CON LAS ONDAS MECÁNICAS: CONCEPTOS BÁSICOS Y VELOCIDAD DE LAS ONDAS

Unbuenejemplodeondamecánicaysudefiniciónparaexperimentarenelaulaseríaelpén-dulodeNewton,comoelquesemuestraenlaFigura3.Aunqueseutilizanormalmenteparaexpli-caralalumnadolaconservacióndelaenergíayelmomento,enestecasoserviráparaexplicarquelaondasepropagasindesplazarmaterialalgunoyestamosportantofrenteaunaondamecánica.

TodoelmundoreconoceesaconfiguracióndebolitascolgantesaunquenotodoelmundosepaquesellamaelpéndulodeNewton,enelquedesplazandolaprimerabolitaalchocarconelresto,estasnosemuevenhastallegaralaúltima.Alchocarlaprimerabolitaconlasegundarepresentalaperturbaciónoliberacióndeenergía,secrealaonda.Laondaempiezaaviajarylaperturbaciónsetransmiteatravésdelasotrasbolitashastallegaralaúltimaquenotieneaquientransmitirlelaenergía,con loquesedesplaza librementevolviendoasuposición inicial.Enesemomentoserá nueva perturbaciónquecrearáunaondaenladirección contraria (véaseFigura4).

Esteproceso,aunquemuyrápido,noesinstantáneo,necesitauntiempodesdequegolpealaprimerabolitahastaquellegaalaúltima.Estonosllevaapoderdefinirunadelascaracterísticasdelasondas:suvelocidadqueasuveznosllevaaladefinicióndeperiodoylongituddeonda.

Dehecho,sifuéramoscapacesdemedireltiempoquetardalapertur-baciónenviajaratravésdelasbolitas,comosabemoslalongitudtotalqueharecorridoobtendríamoslavelocidaddelaonda.Estavelocidadresultaserindependientedesidamosmásomenosenergíaalaprimerabolaquegolpea:esdecirserásiemprelamisma.

En cambio sí que cambiara la velocidad si se realiza el experimentoconbolasdediferentesmaterialescomopodríaservidriooacero.Enelcasodelacerolaondamecánicatieneunavelocidadaproximadade6.100m/s,delvidriode5.640m/sydelagoma1.600m/s.Siladistanciatotalrecorridaporlaonda(Figura4)fuerade8cmporquelasbolitasfuerande2cmdediámetro,eltiempoquetardalaondaenirdeunladoalotroenelcasodelaceroseríade0,000013s,delvidrio0,000014sydelagoma0,00005.Comosepuedeobservarsontiemposmuypequeños,difícilesdemedirexperimentalmenteenelaulaconuncronómetro.Peroaraízdeco-noceresostiempos,sipensáramosquecadabolapodríarepresentarunciclodeunaondacomoseindicaenlaFigura4,sabiendoelnúmerodebolitasimplicadasenlatransmisióndelaondasenospodríaocurrirsugeriralalumnadocalcularunavelocidadexpresadaenbolas/sparaquesefamiliarizaranconlasmagnitudesimplicadasyelsignificadodelavelocidaddelaonda,yloquerepresentaunciclodelfenómenoondulatorio.

UnpocomássofisticadopodríaserlautilizacióndeestepéndulodeNewtonvirtualqueseencuentraenhttp://www.lhup.edu/~dsimanek/scenario/newton.htmjuntoconunanalizadordefrecuenciasenunatabletaoSmartphone(porejemplo,elsoundspectrumanalyzerhttps://play.google.com/store/apps/details?id=sk.SSA_Free)ycomprobarquepormásaltoquelancemoslaprimerabolay,portanto,másenergíaproduzca-mosenlaperturbacióninicial,elritmoyperiododelasoscilacionesdelpéndulosemantienen.Porello,siemprenosdaránelmismopicoenelanalizadordefrecuencias.

CUADRO2Unbuenejemploprácticoycaseroparavisualizarunaondatransversalseríaconstruiruna

ristradepalitoscomosemuestraenlaFigura5.Otroexperimentoclásicoparacrearlosdostiposdeondasseríausarunmuellecon resorte (slinky) conel cualsepueden recrear tantoondaslongitudinalescomotransversales(Figura6)yconelquepodemosmedir longitudesdeonda,relacionarlasconlafrecuenciaoperiodoqueestamosperturbandoelmuelleytratardeencontrarlavelocidaddelasondas,tantolaslongitudinalescomolastransversalesyrelacionarlas.

TantoenelejemplodelpéndulodeNewtoncomoenestosdosúltimossepuedejugarcongrabarenvídeoelexperimentoyaquetanfácilesahoraconmóvilesytabletasyposteriormentetrabajarconlosfotogramasparamedirtiempos,periodos,longitudesdeondayamplitudessegúnelcasoqueconvenga.

Para la visualiza-ción y entendimientobásico de las ondasmecánicas se reco-mienda una web concontenidos educati-

vosrelacionadosconlasondas:eslawebdeDanRussell,catedrá-tico de acústica de la Penn State Universtiy sobre “Acoustics andVibration Animations”. Muy recomendable darse un paseo por surincóneducativoqueencontraréisenhttp://www.acs.psu.edu/drus-sell/demos.html.Osofreceráanimacionesmuyclarificadorasyexpli-cacionessencillasperocompletas(eninglés).

Fig. 3. Péndulo de Newton (Autor: Dominique Tous-saint)

Fig. 4 Funcionamiento del péndulo de Newton. Se produce una perturbación que luego viaja de bola en bola por sus puntos de contacto, hasta darle el impulso a la última que realizará una semi-oscilación y volverá a golpear su bola contigua para generar el mismo proceso en sentido inverso. El esquema a la derecha permite medir las velocidades de onda y su relación con las características propias de la onda.

Fig. 5. Construcción de un generador de ondas transversales (extraído de http://www.grupoquark.com)

Fig. 6. Muelle con resorte (slinky) para la generación de ondas a) longitudinales b) transversales

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vienenenelfenómenodelosterremotos.EstassonlasondasprimariasoP,quesondetipolongitudinal;ylasondas secundarias o S, que son de tipo transversal.Ambas representan los tipos de ondas sísmicas queviajanporelinteriordelaTierra.Sunombrehacere-ferenciaasusvelocidades,laondaPsiempreesmásrápidaquelaSenelmismomedioysiemprellegaráprimeroallídondelaestemosobservando.Engeneral,paralosmaterialesdelosqueestáncompuestaslascapasmásexternasde laTierrasepuedeaproximarque la velocidad de las ondas P es prácticamente eldobledelavelocidaddelasondasS.

En un experimento controlado en que genere-mosunaperturbaciónartificial(explosión,máquina

devibraciones,cañonesdeburbujasenelagua…)yregistremoslasondasproducidas,sabremosladis-tanciaentreel focoyelpuntodeobservaciónyeltiempoquetardólaondaeniniciarsey llegar.Conestopuedenlossismólogosdeducirlavelocidaddelasondasyextraerpropiedadesdelsubsuelosinte-nerqueperforar.

Por otro lado, la presencia de estos los dos ti-posdeondas(PyS)querecorrenelmismotrayectodesdeelfocodelterremotohastanuestraestaciónsísmica o punto de observación, si conocemos losvaloresaproximadosdesusvelocidadesenlalitos-feraterrestrenospermitiráalossismólogoslocali-zardondeocurrióelterremoto(Cuadro3).

CUADRO3LA LOCALIZACIÓN DE TERREMOTOS

Esto puede realizarse como ejercicio avanzado en elaula. Para ello utilizaremos la información que algunasagenciassísmicasofrecen.Porejemplo, la redsísmicadeCatalunya a través de su webhttp://www.igc.cat/web/es/terratremols.phpencontraremosunlistadodeeventossís-micosrecientesdeloscualesnosmuestransussismogra-mas,enlosquesepuedemedir la llegadadelaondaPySdirectamenteosimplementeusarlasmedidasqueellosrealizanparacadaestaciónsísmica.Laagenciasísmicasui-za (http://www.seismo.ethz.ch/index_EN) también ofrecelossismogramasylamedicióndeladistanciaporestaciónsísmica.Luegoenlasmismaswebshayqueencontrardon-desesitúacadaestaciónenelmapa.Seguidodelareco-pilacióndeesta información(Fig.7)hemosderesolverelproblemacomosecuentaacontinuación.

Para localizar un terremoto nos basaremos en quesabemosquelaondaPhatardadociertotiempoenllegardel terremoto a la estación sísmica, y que es la distanciarecorridadivididalavelocidaddelaondaPloquenosdaeltiempoquehatardadolaondaPenllegarnos

Tp=distancia/vpParalaondaSocurrelomismo,tardaráuntiempoma-

yorenllegarporquehabrárecorridolamismadistanciaquelaondaP.

Ts=distancia/vsPeronosotrossolosabemoselintervalodetiempoque

podemosmedirenunsismogramaentrelaondaPylaS,portantoeltiempoquetardademáslaondaSenrecorrerlamismadistanciaquelaondaPserá:

Ts-Tp=(distancia/vs)-(distancia/vp)=distancia(1/vs–1/vp)Conestaúltimaexpresiónyteniendoencuentaqueparaun

rangodedistanciasentre50-500km,loqueseríanterremotosnomuylejanos,lasvelocidadessonvs=3.45km/sylavp=8km/ssepuedesustituirenlaexpresiónelTp-smedidodelsismogramaylasvelocidadesde lasondaspodemosobtener ladistanciaa laqueestáelterremotodenuestraestaciónsísmica.Estadistanciaeslaquealmismotiemponosofrecenlasagenciassísmicassu-geridasyquepodemosutilizardirectamente.

Paracadaestaciónhabráunadistanciaalacualocurrióelterremoto,distanciaepicentral,perocomopuedevenirdecual-quierdirecciónestonosdaunacircunferenciade radio ladis-tancia calculada. Para encontrar el epicentro del terremoto senecesitaránalmenostresestacionessísmicasparaencontrarelpuntodeencuentrotalycomosemuestraenlaFig.8,yaquedosnosdaríadosposiblessolucionesyessoloconunaterceraestaciónquesedefineunúnicopuntodecoincidenciaqueesdondeseoriginóel terremoto.Yvoilà!yahemosencontradodondefueelterremoto.

Fig.7. Recursos en red para la realización de una localización de terremoto en el aula. Agencias sísmicas catalana (IGC) y suiza (SED).

Fig. 8 Localización de un terremoto una vez hemos averiguado las distancias epicentrales de cada estación sísmica.

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Vistoestáque lasondasPySsirvenparamu-chascosas,peronoson lasúnicasqueexistenre-lacionadas con los terremotos. Otro tipo de ondasque tenemos cuando un terremoto ocurre son lasondas superficiales.EstassonlamanifestacióndelasondasPySinteraccionandoconlasuperficiedela Tierra, una vez que han viajado libremente porsuinterior.Estasondassonlasprincipalescausan-tesdelosdañosqueproducenlosterremotos.Porejemplo,lasondasLovesecreanporlainteraccióndelaondaSconlasuperficiedelaTierraysoncom-pletamente ondas horizontales. Por otro lado, lasondas Rayleigh de la interacción conjunta de lasondas P y S, siendo ondas de revolución, realizanmovimientoselípticosretrógradosalmismotiempoqueavanzan.AmbasondassonmáslentasquelasPySsiendosusvelocidadesentre1-6km/s(Fig.9)

Conlodescritohastaahorasobreondassísmi-cas y sus velocidades, se puede entender porquéunsismograma tieneelaspectoque tiene.DebidoaquelasondasPsonlasmásrápidas,lasSlami-tadderápidasquelasPylassuperficiales(LoveyRayleigh)lasmáslentasdelastres,eseneseordenqueseobservanlasondasenunsismograma(Fig.1).Paraloscientíficos,observarestaespeciedere-tratodelosseísmosquerepresentanlossismogra-mas permite estudiar los tiempos de llegada y lasamplitudesdelasondasque,además,permiteinfe-rircaracterísticasinternasdelaestructuraencapasdenuestroplaneta(DíazCusí,2012).Dehecho,¡esgraciasaestoqueconocemosquenuestroplanetaestáformadodedistintascapasconcaracterísticasheterogéneas,yaquenuncanadiehapodidoviajaralcentrodelaTierra!Además,comoseverácuandohablemosdebólidos,lossismogramasnospermiti-rántambiénestudiarlasondasqueestosproducenparadeducirlasalturasyenergíaalasquesefrag-menta,entreotrosaspectos.

Perolossismogramasencierranciertacomple-jidad ya que las ondas no son netamente ondasde un tipo u otro que viajan homogéneamente.JustamenteporqueelinteriordelaTierranoesho-mogéneoamenudoseencuentranconfronterasydistintosmediosenloscualesdebencambiarsusvelocidades.Cuandoestoocurrelasondassufrenrefraccionesyreflexiones.Laley de Snellmatema-tizaestosfenómenosqueocurrencuandoestamosenpresenciadedosmediosconcaracterísticasdi-ferentesyportantodiferentesvelocidadesdeon-das. Cuando una onda llega a la zona de cambiodelmaterial,partedeellarebotaysequedaenelmedioendondeestabapropagándose(reflexión)ypartedeellasetransmitealnuevomedio(refrac-ción).EnlaFig.10seencuentraunesquemaexpli-cativodeestefenómeno.

LAS ONDAS GENERADAS POR BÓLIDOS

Como se mencionaba en la introducción y sedescribe en el artículo introductorio, los meteoroi-des penetran en la atmósfera a velocidades muyelevadasquevaríanentre11y72dekm/s.Con loquehemosvistohastaahorasobreondaspodemospensarquelaondamecánicageneradaporlapropa-gacióndeunbólidodependerádelmedioendondesemueva,esdecir,laatmósfera.

Losbólidosensuentradaalaatmósferageneranluzygraciasaellosonobservablessustrayectorias.Esloqueutilizanlosastrónomosparacalcularsustrayectoriasjuntoconestrellasdereferenciaytrian-gulación.Pero,almismotiempo,supenetraciónenlaatmósferageneraondasensucamino.Lasondasmecánicas que se crean por las características delmedio donde desarrolla su trayectoria son ondasde sonido o infrasonido, ondas tipo longitudinalesdel mismo tipo que las ondas P en los terremotospero que viajan con otra velocidad. Es importantemencionar que no tendremos presencia de ondastransversales,comolasSquesedabanenelcasodeunterremotoyaqueelairecomomediodepro-pagacióncarecederigidez.

Fig. 9. a) Las ondas Love son estrictamente ondas de movimiento horizontal b) Las ondas Rayleigh se parecen a las ondas en el océano dado que su amplitud decrece con la profundidad (extraído de Seismic Waves and Earth’s Interior por Charles J. Ammon; http://eqseis.geosc.psu.edu/~cammon/HTML/Classes/IntroQuakes/Notes/waves_and_interior.html)

a)

b)

Fig. 10. Ley de Snell. (Izq) Caso en que la onda incidente es una onda P y se generan ondas S y P tanto reflejadas como refractadas (Dcha) Caso en que la onda incidente es una onda S.

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Enestecasolavelocidadquetomalaondadesonidoenlaatmósferaes,obviamente,lamuyco-nocidacifrade340m/s.Notemosqueesunave-locidadmuchomenorquelaasociadaalasondassísmicasquesondelordendekm/s.Tambiéncabedestacar la alta dependencia de esta velocidadcon la temperatura y la composición del aire, porloqueesevalorvariarásegúnsepropagaatravésde lasdiferentescapas.Paraejemplificaresto,esmuygráficoelexperimentodel“efectode la tazadechocolatecaliente”odel“aguacaliente”.Sille-namosunatazaounvasoconunlíquidocalienteyconlacucharagolpeamossubaseoiremoslaondadesonidoquecreamos,peroalirlorepitiendoyellíquidoenfriándosenotaremoscomolafrecuenciadel sonido va cambiando indicando el cambio detemperatura.

Peronosolopresentanunmecanismoquege-nereondas.Talcomoseadelantócon laFig.2,unbólido genera ondas sónicas por dos fenómenosprincipalmente.Uno,cuandoensuentradaalaat-mosfera viaja en régimen altamente hipersónico(Tabla1);Dos,porlapresenciadeexplosionesensutrayectoria. Ambos fenómenos pasamos a comen-tarlosaldetalle.

Superando la barrera del sonidoSegúnpenetraunarocaenlaatmósferacomien-

za a interaccionar bruscamente con la atmósferaconformeprofundizanen lascapasmásdensas.Elmeteoroidegeneraondasdesonidoconunaestruc-turacilíndricacasicónica (similara lasproducidaspor los aviones a reacción) al propagarse por esemedioysegúnprofundizapierdemasacomoconse-cuenciadelcalentamientoproducidoporlafricción(ablación).Vamosaverporqué.

Primeramentehayquedestacarqueenelcasodelbólido,adiferenciadelterremoto,tenemosqueelfocodeperturbaciónesmóvilloquenosllevaa

unnuevofenómenoquepuedenexperimentar lasondas:elefecto Doppler.Dehechoelmeteoroideva avanzando a gran velocidad a través de la at-mósferay,amedidaquepenetraenella,vagene-randonuevasondasdesonido.Yesmás,vaaunavelocidadmuysuperior(11-72km/s),alavelocidaddelasondasquecrea,lasondassonido(343m/sa 20ºC) con lo que estamos en presencia de otronuevofenómeno:romperlabarreradelsonido.Esenestepuntoenqueelmeteoroidegeneraondasconestructuracónica.

En la Fig. 11 se ejemplifican estos casos con elejemplodeunaviónquetambiénesunfocomóvilaligualqueunmeteoroobólido.Avelocidadespordebajodelsonidoosub-sónicas(véaseTabla1),loquesetieneeselefectoDopplerysitenemosvelo-cidadesporencimadelsonidorompemoslaveloci-daddelsonidopasandoaregímenessupersónicosohipersónicos,emitiendoondasmásdeprisaquelavelocidadenquesepropagalaonda.Estoprovocaunapilamientodeondasenformadeconoquenotienen más que sumarse y a partir de ahí emitirsecomoondasplanas,eselmomentoenquesecreael boom sónico tan característico. Entonces, cuan-to más rápido va el foco más estrecho se hace elcono,porloqueelfrentedeondasplanasformadoenformadecono,cadavezserámásparaleloa ladirección de propagación del foco, pasando a unageometría casi cilíndrica como la se observa en laFig.2.Dehecho,larelacióndelaoberturadelconoylavelocidad(enestecasodelavión),serelacionanatravésdelafórmulaquesemuestraenlaFig.11.LaMesloquecomúnmenteseconocecomoelnúmerodeMachynoesmásquelaproporciónentrelave-locidadquellevaríaenestecasoelaviónrespectoalavelocidaddelsonido.Sielaviónfueraaldobledelavelocidaddelsonido,elnúmerodeMachserá2,yestaremosenunasituacióndeM=2yportantoenrégimensupersónico.

EnelcasodelosbólidoselnúmerodeMachsu-peraelvalorde30,unasituaciónaltamentehiper-sónicanoalcanzadaporloshumanosartificialmentemásqueacercarseconnúmerosdeMachalrededorde25enelcasodere-entradasenlaatmósferadelostransbordadoresespaciales.

Romper la barrera del sonido en nuestra vidacotidiana es algo que parecería no encontrarse anuestro alcance, pero podemos experimentar conunpardecasos.Losavionesquerompenlabarre-radelsonidocondensanelagua,porlabajadadepresióndelaondacreadaysuconsecuentebajada

Régimen Nº de Mach, M Ejemplos

Subsónico <0.7 Trendealtavelocidad.EfectoDoppler.

Transónico 0,7–1,2 Alasdeunaviónendondecoexistenvelocida-dessubsónicasysupersónicas.

Supersónico 1,2–5,0 Aviónareacción,Concorde.

Hipersónico

5.0-25.0 Aviónareacción,BoeingX-51

>25(altamentehipersónico)

Reentradasatmosféricas.Bólidos.

Tabla 1. Clasificación de regímenes de velocidad según el número de Mach, M.

Fig. 11. (Izq) situación de veocidad subsónica, efecto doppler. (centro) situación velocidad igual a la del sonido (dcha) velocidad supersónica y rompimiento de la barrera del sonido. Relación entre el ángulo b, que define la abertura y la velocidad que lleva el proyectil. (adaptado de www.molesybits.es)

Enseñanza de las Ciencias de la Tierra, 2013 (21.3) – 249

detemperatura,yesanubetomalaformadelconoprecisamente (Singularidad de Prandtl-Glauert).Aprovechando esto podemos medir ese ánguloque forma lanubecon formadeconoyaveriguaraquévelocidadpuedeestaryendoelavión,comoporejemplolafotografíaquesemuestraenlaFig.12.Porotrolado,unsonidosimilaralchasquidodeunlátigoeselproducidodurantelaroturadelaba-rreradelsonidoque,portanto,podemosidentifi-carfácilmente.Estosemanifiestaenunaondaquese propaga a lo largo del látigo, a una velocidadqueesproporcionalalaenergíaquesehayaapli-cado.Amedidaquelaondaviajahaciaelextremomásdelgadoymás ligerodel látigo,suvelocidadaumenta. Puesto que la energía cinética se debeconservar,silamasadellátigovadisminuyendoalo largo del recorrido de la onda, entonces la ve-locidadde laondadebeaumentarparamantenerlacantidaddeenergía(laenergíacinéticaespro-porcionalalamasaylavelocidad).Así,finalmente,lapuntadellátigollegaasuperarlavelocidaddelsonido y produce el chasquido característico: elboomsónico.

Creando sonido a través de las explosiones: los airbursts

Unbólidopuedepenetrarenlascapasmásden-sas de la atmósfera a velocidades hipersónicas yperdiendomasa.Siestesigueprofundizando,cadavezsientemayorpresiónhidrodinámicaensupartefrontaldadoqueestavieneaserproporcionalaladensidad del medio y el cuadrado de la velocidaddeentrada.Talfenómenopuedeproducir laexplo-sióndelmeteoroideoloquesedenominaestallido atmosférico o en inglés se conoce como airblast óairburst (Wasson, 2003; Trigo-Rodríguez y Llorca,2006;Trigo-RodríguezyBlum,2009).

Tales estallidos son muy energéticos creandotambiénondassónicasconsuficientepotencialparadespuésgenerarondassísmicas(Ensetal.,2012).Lasondasquesecreanenestosestallidosoairburstsonenestecasounfrentedeondasesféricas(Fig.2)

En Internet también podéis encontrar numero-sosvídeosdelboomsónicoqueseregistródespuésdelacaídadelmeteoritodeRusiaelpasado15deFebrero de 2013. Posiblemente este sea el casoquemáshapopularizadoelhechoqueunmeteoroo meteorito también produce sonido (véase Trigo-Rodríguezetal.,2013)

Meteoritos e impactos: generación de ondas sísmicasY no todo termina con los dos casos anterio-

res.Existeun tercercasodegeneracióndeondas,concretamente cuando el bólido después de sufrirpérdidasdemasayexplosiones,consigue llegaralasuperficiede laTierra.Lavelocidadque lleve leconfiereunaenergíaquealimpactarconelsueloge-neraráondassísmicas,asícomoexcavaráuncrátero(véaseelartículosobreelprocesodecraterizacióndeÖrmoyOmsdelpresentenúmerodeestarevis-ta.). En ese proceso nos enfrentamos desde el co-mienzoaondaspuramentesísmicas.Esteeselcasomás evidente de detección de impactos medianteestaciones sísmicas y es el caso que todo el mun-dotiendeaimaginar.Sinembargo,comopodemosimaginar,eselmásrarodadoquenoseproducenamenudograndescráteres.ElcasomáscuriosodelosúltimosañoseselcrátergeneradoenCarancas(Perú) el 15 de septiembre de 2007 (Kenkmann etal.,2009).

Registro y estudio de las ondas sísmicas de un bólidoTantoelboomsónicoporromperlabarreradel

sonido como los airblast o ondas asociadas a lasexplosiones sufridas por el meteoro son ondas desonido que dependiendo de si son audibles o no,sehablatambiéndeellascomoinfrasonidos.Talesondassepuedenestudiardirectamentesiendode-tectadas por lugares de observación con sensoresqueregistraninfrasonido.Estetipodeondastienenunacaracterísticamuybuenayesqueviajangran-desdistanciassinapenasdisminuirenenergía(Ensetal.,2012)Nosehablaráenmásdetalleaquídadoquenosconcentraremosenlasondassísmicasperoladeteccióndeinfrasonidosesunatécnicaadicionalquepermitecomprendermejorlascaídasdemeteo-ritos(Llorcaetal.,2005;Brownetal.,2007).

Así,siestasondasdesonidooinfrasonido,tie-nensuficienteenergíapuedentransmitirsealsuelo,pueden hacerlo vibrar como si fuera la piel de untambor. Entonces se habrán convertido en ondassísmicasquepodremosdetectarconestacionessís-micascercanas,yaqueencambiolasondassísmi-castodoysermásrápidaspierdenenergíatambiénmás rápidamente. De hecho, la onda de sonido alinteraccionarcon lasuperficie terrestrenodejadeseruncasodereflexión-refraccióncomoeldelaFig.10,enelquelaondaincidenteeslaondadesonidolongitudinalyaltransmitirsealsuelogeneralasco-rrespondientesondassísmicas.

Unaestaciónsísmicaque las registrenosofre-cerá el sismograma o retrato de estas ondas y laspodremos estudiar igual que se ha explicado paralos terremotos. Para empezar, el aspecto que ten-dránlosregistrosnoseránloscaracterísticosdelosterremotospuestoquelasondasnosondelosmis-mostiposnilleganenelmismoorden.Precisamentelaidentificacióndeondasnospermitiráreconstruirel tipodeentradaquetuvoelmeteoroysiexperi-mentódiversasexplosionesalolargodesutrayec-toriaqueevidenciensufragmentación.EnlaFig.13semuestraunpardeejemplosderegistrosísmicocorrespondienteabólidosdondesepuedenobser-var distintas ondas sísmicas que provienen de lasdistintas maneras de crear ondas. A veces solo seregistraunaovariasdelasexplosionesquesufreel

Fig. 12. ¿ A qué velocidad va este avión? Si el ángulo fuera aproximadamente 30º, sin(30)=0.5 y por tanto, M=2, este avión va al doble de la velocidad el sonido.

250 – Enseñanza de las Ciencias de la Tierra, 2013 (21.3)

bólido(Fig.13b),conqueelpuntodelicadodelain-terpretacióndelossismogramasessaberidentificarquéondashemosrecibido(Fig.13a)yaquépuedencorresponder.

Una vez se analizan los sismogramas se pue-de intentarextraermás informaciónqueel tipoderecorridoquepudo tenerelmeteoro.Porejemplo,sitenemosunregistrocorrespondienteaunafrag-mentaciónexplosivaenfuncióndelaamplitudqueregistremos podremos saber cuánta energía liberóesaexplosiónydeducireltamañodelbólido.Paraelloseusancalibracionesexperimentalesbalísticasdedisminucióndelaenergíaconladistancia(Ensetal.,2012,Brownet al.,2002).

Por otro lado, si tenemos la suerte de tener elbólido registrado en más de dos estaciones sísmi-cas,tambiénpodemosaspiraralocalizarlo.Enestecaso,considerandosoloaquellasondasquesonlaonda directa de aire, tal y como se muestra en laFig.14,deduciremosquelavelocidaddelaondaen

todo su recorrido es la del sonido a pesar de quevaría mucho con la temperatura. Aquí el problemaquesurgeesquesolotenemosuntipodeondas,nocomoenelcasodelterremotoenquedisponíamosde una segunda onda que permitía directamenteencontraraquédistanciadecadaestaciónsesitua-baelterremoto.Portanto,alcontarconunaúnicaondasedeberángenerarcircunferenciasdetiempoalrededordelasestacionesparapoderdeducirsupuntode la trayectoriaatmosféricaaproximadaalquecorrespondalaondaanalizadacomosemues-traenlaFig.13.Porejemplousandolaondadeunairblast, localizaríamos el punto donde fue la ex-plosión.Ademásdelascircunferenciasdetiempoysuspuntosdeintersección,podemoscontarconladiferencia de tiempos entre estaciones. Obtendre-mosunconjuntodepuntosdeintersecciónentrelasdiversas estaciones, pero solo será solución aquelquecumplanosoloseruna intersecciónsinotam-bién que las diferencias de tiempo medidas entreestacionesseanconsistentes.Estemétodohasidousado en artículos como Pujol et al. (2006) ó Ed-wardsyHildebrand(2004).

EL PAPEL DE LA GEOFÍSICA EN LA RED ESPA-ÑOLA DE INVESTIGACIÓN SOBRE BÓLIDOS Y METEORITOS

Toda la fenomenología geofísica aquí expues-ta al paso de grandes bólidos por la atmósferaterrestre no es habitual que pueda ser estudiadaparatodaslascaídasdemeteoritos.Desgraciada-mente muchas veces se carece de datos científi-cossuficientesperoesciertoquelaredglobaldeinfrasonidos lideradaporel físicoPeterBrowndela Universidad de Western Ontario (Canadá) estárecopilandoinformacióndelamayoríadegrandeseventos que pueden registrarse con esa técnicacomplementaria. De hecho el reciente artículo deEnsetal.(2012)sehaceunestudioestadísticodebólidosqueofrecensuficientesdatosparasuaná-lisisdesdeunpuntodevistageofísicoyunrepasodelastécnicasusadas.

A pesar de eso, la Red Española de Investiga-ción sobre bólidos y meteoritos (www.spmn.uji.es)integradaporunequipointerdisciplinariodeinves-tigadores lleva casi 20 años registrando grandesbólidossobrelaPenínsulaIbéricayregioneslimítro-fesporloquesehainteresadoentenerencuentaestetipodeestudiosgeofísicoscomocomplementoa sus investigaciones astronómicas y químicas so-bremeteoritos,haciendoqueestasinvestigacionessean,sicabe,aúnmásmultidisciplinares.Nosotrosesperamos a tener constancia de la ocurrencia deun bólido registrado en nuestras 25 estaciones dedetecciónópticaso3deradio(forwardscatter)consuficientepotencial.Entoncessereconstruyeastro-métricamentesutrayectoria,trianguladaenbasealas imágenes del meteoro desde estación múltiplemediante las cámaras CCD o de vídeo detección(Trigo-Rodríguezetal.,2004,2008;Madiedoetal.,2010). Posteriormente se comprueba la existenciadeestacionessísmicasyportantolaexistenciaderegistros para ser estudiados en la región cercanaensuperficiealatrayectoria.

Fig. 13 a) Ejemplo de registro sísmico de un bólido. Se observa la llegada de las ondas sónicas que primero se convirtieron en ondas sísmicas y la posterior detección de la onda sonora en la estación sísmica. b) Ejemplo de registro donde se observan diversas fragmentaciones a lo largo de su trayectoria. Adaptado de Brown et al. (2003)

a)

b)

Fig. 14. Ejemplo de localización de un meteoro. Los puntos p1, p2, p3 son cogidos como ejemplo de posibles puntos solución. P1, p2 no son soluciones posibles debido a los tiempos medidos en los registros (dcha) y en cambio p3 sí que es un punto solución (marcado con una estrella).

Enseñanza de las Ciencias de la Tierra, 2013 (21.3) – 251

GraciasalainfraestructuracreadaporlaRedyasehaconseguidorecuperardoscaídasdemeteori-tosenEspaña.Elprimercasofuelacaídadelmeteo-rito de Villalbeto de la Peña ocurrida en el pueblopalentinodelmismonombreel4deenerode2004.Enestecasounaestaciónsísmicadelaredsísmicaespañolay laestaciónfrancesade infrasonidosenLeFleursregistraronlaseñalasociadadelacualsepudoextraerinformaciónquedabaapoyoaloscál-culosdelatrayectoriaylaenergíaliberadaenunadelasfragmentaciones(Llorcaetal,2005)(Fig.15).EnbaseaesosdatosseobtuvopornovenavezenelmundoyprimeraenEspaña laórbitaheliocéntricadelaroca(meteoroide)deunos70cmdediámetroque generó esa caída de meteoritos (Trigo-Rodrí-guezetal.,2006).

TambiénlideramosdesdeelGrupodeMeteo-ritos del Instituto de Ciencias del Espacio (CSIC-IEEC) el estudio de la caída de un meteorito enCali,Colombia.Entre los trabajosquese realiza-rondecaracterizacióndelmeteorito,unacondritaordinaria a medio camino entre las de clase H yL, también se pudo acceder a las señales sísmi-cas. Aunque todos los datos recopilados no co-rrespondíanalaseñaldelmeteorito,dosdeellaseran claras y resultaron ser compatibles con loscálculosdetrayectoriadelmeteorito(Fig.16)(Tri-go-Rodriguezetal2009).

Actualmente estamos trabajando en el casode un bólido ocurrido sobre el Pre-Pirineo cata-lánquefueregistradoel12demayode2011porvarias estaciones catalanas operadas desde elInstitutodeCienciasdelEspacio(CSIC-IEEC)yca-talogadoporlaRedSPMNcomoSPMN120511.Laregiónesunazonasísmicamenteactivaconloquetieneunadensidadelevadadeestacionessísmi-cas. Esto proporcionó registros sísmicos en másde dos estaciones cercanas. Los análisis siguenencursoperoalgunosresultadospermiten iden-tificardistintasclasesdeondassísmicas,deesemodocorroborandolatrayectoriadelbólidoensufase de generación de ondas longitudinales (semuestraenlaFig.17)yotrascorrespondientesa

laexplosiónfinalquesufrióelbólido.Lasseñalessísmicasdediferentesestacionesylatrayectoriadeducidadelasimágenessugierenqueseprodu-jeronmeteoritosaunquenosehanpodidoencon-trarhasta la fecha.Elanálisistiempo-frecuencialtambiénponeenrelevanciaundesplazamientodelasfrecuenciasasociadoalefectoDoppler.(TapiayTrigo-Rodríguez,2012).

Esperamos que nuevos bólidos se sucedan ypodamoscontarenadelanteconmásdatossísmi-cooinclusoinfrasónicosquenospermitanseguirestudiandoestapartegeofísicadeestosfenóme-nos, avanzar en el conocimiento y perfeccionartécnicas aplicadas. Es un campo que genera es-tudiosdegranbellezaysingularidad,losmeteo-roidesymeteoritosseven(luz)perotambiénnoshablan(sonido)!

Fig. 15. Registro sísmico del meteorito Villalbeto de la Peña de la componente vertical de la estación sísmica EARI de la Red Sísmica Española (IGN)

Fig. 16. Registro sísmico del meteorito de Cali de las componentes verticales de las estaciones sísmicas SEGQ y HOQC de la Red Sísmica Chilena

Fig. 17. Registro sísmico vertical de un bólido ocurrido en los Pre-Pirineos en el 2011. Corresponde a una estación de la Red Sísmica Catalana. Se muestra su espectro y el movimiento de la partícula el cual corresponde a onda longitudinal, por tanto onda P y coincide con la situación relativa entre estación y trayectoria del bólido.

252 – Enseñanza de las Ciencias de la Tierra, 2013 (21.3)

RECURSOS EN LA WEB (CONSULTADOS DICIEMBRE 2013) (CÓDIGOS QR)

Apartedelassugerenciasquesehanidohaciendoduranteeltextodeesteartículo,másexperienciasypáginaswebdivulgati-vassondignasdemenciónyselistanaquí(seacompañandecódigosQRparaunfácilaccesoaloslinks)

MÁSINFORMACIÓNSOBREBÓLIDOS

PáginawebRedSPMN:www.spmn.uji.esListadodebólidosdelaRedSPMN: http://www.spmn.uji.es/ESP/SPMNlist.html

Páginadereportedebólidos: http://www.spmn.uji.es/ESP/reporte.html

EXPERIMENTOSYCURIOSIDADESSOBREELSONIDO:Experimento“apagarlavela”: http://www.youtube.com/watch?v=OjA4Ve1dYLg

Experimento“verondassonoras”: http://todoesfisicayquimica.blogspot.com.es/2012/03/

inauguro-seccion-experimentos.html;

http://www.youtube.com/watch?v=5LRk4AB43G8

http://www.youtube.com/watch?v=TzERdppwlFU

Vídeoexplicativosobrelabarreradelsonido: http://www.youtube.com/watch?feature=player_

embedded&v=Go2uVZn4ROo

Elsonido:recursosdefísica http://www.rrfisica.cat/num/num11/article_

num=26&pos=8&total=9&art=133.html

http://www.catfisica.com/11so2/11so2.htm

EXPERIMENTOSSOBREONDAS: http://intercentres.edu.gva.es/iesleonardodavinci/Fisica/

Ondas/Ondas03.htm

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ExperimentosconelpéndulodeNewton: http://www.lhup.edu/~dsimanek/scenario/cradle.htm

Videossobreondas: https://www.khanacademy.org/science/physics/waves-

and-optics

OndassísmicaseinteriordelaTierra: http://eqseis.geosc.psu.edu/~cammon/HTML/Classes/

IntroQuakes/Notes/waves_and_interior.html

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Este artículo fue solicitado desde ECT el día 22 de julio de 2013, y aceptado definitivamente para su publicación el 3 de diciembre de 2013