ACTIVIDAD EDUCATIVA 17
Cálculo Actividad Meteoros

Autores
Sr. Miguel Rodríguez Alarcón Alumno IES Tegueste.
Dr. Miquel Serra-Ricart. Astrónomo del Instituto de Astrofísica de Canarias.

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1 – Objetivos de la actividad

El objetivo principal es introducir a los jóvenes estudiantes en el campo de la investigación científica a través de la observación de las lluvias de meteoros a lo largo del año. Mediante esta experien­cia se pretende que los participantes se familiaricen con la adquisición y tratamiento de datos científicos, obtengan sus propias conclusiones a partir de ellos, contrasten sus resultados con los de otros grupos in­dependientes y en definitiva, comprendan la natura­leza y los procedimientos de una investigación cien­tífica real.

– Utilizar conceptos básicos de Física y Matemáticas para describir fenómenos naturales.
– Aprender estrategias para la resolución de problemas a través del método científico.
– Participar en la planificación y desarrollo de experimentos en grupo. Valorar el trabajo en equipo y las responsabilidades que conlleva.
– Contribuir al conocimiento científico de los meteoros y sus lluvias asociadas.

2 – Instrumentación

Una de las mayores ventajas de las lluvias de estrellas es que podemos disfrutar de ellas y, además, estudiarlas, sin necesidad de ningún instrumento óptico específico, como puede ser un telescopio o unos prismáticos. Para realizar el conteo de meteoros solo necesitamos nuestros ojos. Debemos, eso sí, acostumbrar nuestra vista a la falta de luz: unos 10 o 20 minutos son suficientes para que nuestros ojos se adapten. Evitaremos las luces que puedan deslumbrarnos (móviles, linternas…), apoyándonos en luces rojas, si fuese necesario.

3 – Fenómeno
3.1 – ¿Qué es un meteoro?

En Astronomía llamamos meteoro al fenómeno luminoso que se produce cuando una partícula de polvo y hielo o pequeñas rocas atraviesan la atmósfera de la Tierra. En el lenguaje popular se conoce como estrella fugaz. Hay que distinguir bien entre:

1) Meteoroide: son partículas de polvo y hielo o rocas de hasta decenas de metros que se encuentran en el espacio producto del paso de algún cometa o asteroide o simples restos de la formación del Sistema Solar.

2) Meteoro: es un fenómeno luminoso producido en la alta atmósfera de un Planeta. Cuando la Tierra intercepta meteoroides éstos se precipitan a alta velocidad en nuestra atmósfera. Su energía cinética se transforma en calor debido a la onda de presión generada (“ram pressure”) y el material meteórico sublima, dando lugar a una línea luminosa que conocemos como estrella fugaz (ionización y posterior recombinación de los átomos que componen el material del meteoro). También el gas que queda en la trayectoria seguida por el meteoroide puede ionizarse y brillar durante unos segundos.

Los meteoros comienzan a emitir luz a unos 100 km de altura sobre la superficie terrestre, y normalmente dejan de verse cuando han alcanzado los 60-70 km de altura, es decir, los meteoros se forman en la Mesosfera.
3) Meteorito: son los meteoroides que alcanzan la superficie de la Tierra debido a que no se desintegran por completo en nuestra atmósfera. Dada su energía, pueden producir un cráter de impacto.

La aparición de meteoros es un hecho muy frecuente (cada día nuestra atmósfera recibe 600 toneladas de material meteórico) y generalmente se ven a simple vista. En una noche oscura y despejada se pueden detectar hasta 10 meteoros por hora. Si la frecuencia aumenta a  centenares por hora (aproximadamente uno por minuto) entonces hablaremos de una lluvia de meteoros. Si alcanzan los millares tendremos una tormenta.

Más raro es un fenómeno más espectacular: el de un bólido (meteoros de magnitud inferior a -4, la magnitud o brillo de Venus). Atraviesan rápidamente el cielo, dejan tras sí una estela luminosa y, a veces, pueden llegar a estallar con un gran estruendo.

3.2 – Lluvias de Meteoros

La mayor parte de los meteoros que observamos no guardan ninguna relación entre sí; son llamados esporádicos porque no pueden asociarse a un único cometa/asteroide generador. En determinadas épocas del año, sin embargo, la Tierra atraviesa filamentos de materia producidos por un mismo cometa/asteroide. Las partículas que forman estos filamentos dan lugar a lluvias (o incluso tormentas) de meteoros. Todos los meteoros de una lluvia parecen proceder de un mismo punto del cielo llamado radiante. Se trata de un efecto de perspectiva similar al que se produce cuando los bordes de una carretera convergen en la lejanía, y se debe a que las trayectorias de las partículas en el espacio son paralelas.

Las lluvias de meteoro se denominan según la constelación (añadiendo, en caso de confusión, la letra griega de la estrella más próxima donde se sitúa el radiante, ver Tabla 1, según información de IMO, ref1).

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Figura 1a: Lluvia de meteoros de las Dracónidas observada desde las ruinas celtas de Capote en Badajoz (España) en octubre del año 2011. El radiante está localizado en la constelación del Dragón.

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Figura 1b: Lluvia de meteoros de las Gemínidas observada desde el Observatorio del Teide (Instituto de Astrofísica de Canarias, Tenerife) el 14 de diciembre del año 2013. El radiante está localizado en la constelación del Dragón (fuera de campo).

Los enjambres de meteoroides están asociados a cometas (o asteroides). Después de la gran lluvia con radiante en la constelación del León (Leónidas) de 1833, Olmsted y Twlning, de Newhaven, reconocieron (1834) que la existencia de un radiante podía explicarse suponiendo que un enjambre de corpúsculos (meteoroides) se movía alrededor del Sol en una órbita regular, análoga a la de un cometa, y que esta órbita era atravesada por la Tierra.

Nombre Fecha Velocidad [Km/s] Frecuencia [ZHR, met/h] Objeto Generador Relación poblacional
Cuadrántidas 4 ene 41 120 2.1
Líridas 22 abr 49 18 Comet1861 I Thatcher 2.1
Eta Acuáridas 6 may 66 40 P/Halley 2.4
Líridas 9 may 43 3 3.0
Delta Acuáridas 30 jul 41 16 3.2
Alpha Capricornidas 30 jul 23 5 P/Honda-Mrkos-Pajdusakova 2.5
Iota Acuáridas 5 ago 34 15
Delta Acuáridas 12 ago 42 20
Perseídas 13 ago 59 100 P/Swift-Tuttle 2.2
Iota Acuáridas 20 ago 31 15
Aurígidas 1 sept 66 6 2.5
Dracónidas 8 oct 20 10 P/Giacobini-Zinner 2.6
Tauridas Sur 10 oct 27 5 P/Encke 2.3
Orionidas 21 oct 66 15 P/Halley 2.5
Tauridas Norte 12 nov 29 5 P/Encke 2.3
Leónidas 18 nov 71 15 P/Tempel-Tuttle 2.5
Gemínidas 14 dic 35 120 Phaeton 2.6
Ursidas 23 dic 33 10 P/Tuttle 3.0

Tabla 1: Principales Lluvias de Meteoros (datos actualizados para el año 2015, IMO).

4 – Metodología

Como se puede apreciar en la tabla anterior, las lluvias de meteoros son periódicas, por lo que cada año se puede estimar el día de máximo de actividad, siendo esta una buena oportunidad para realizar el conteo de meteoros y aprovechar además para disfrutar de las estrella fugaces. Las lluvias de más actividad son las Gemínidas (máx 13-14 diciembre), las Cuadrántidas (máx 3-4 enero) y las Perseidas (máx 12-13 agosto), por lo que el número de meteoros observables será mucho mayor que en otras lluvias.

El procedimiento de conteo de meteoros es bastante sencillo si se tienen claros todos los conceptos que intervienen tanto en la observación como en la reducción de los datos obtenidos.

4.1 – Observación

Con el fin de contar con las mejores condiciones para la observación, debemos buscar lugares oscuros y con todas las direcciones despejadas de obstáculos. Lo mejor es estar tumbados en el suelo, con mantas o dentro de un saco de dormir, pues el frío de la noche será uno de los factores más duros que debemos tener en cuenta. Como ya hemos dicho, los ojos serán nuestra única herramienta de observación, pero para registrar los datos es muy recomendable el uso de una grabadora, pues nos permite guardar gran cantidad de información en poco tiempo y nos evitamos el uso de libreta y bolígrafo (que puede llegar a no funcionar si la temperatura es muy baja). A la hora de registrar un meteoro, son dos los factores que debemos indicar:

1.- Si corresponde a la lluvia de estrellas que estamos estudiando o no. Esto lo sabremos porque la prolongación del trazo marcado por la estrella fugaz nos debe conducir al radiante, dado que para una misma lluvia todos los meteoros parecen proceder del mismo punto del cielo. No obstante, algunos de los meteoros observados no cumplirán esta característica, por lo que lo denominaremos esporádico.

2.- La magnitud aparente o brillo del meteoro. Captar el brillo de una estrella fugaz puede ser muy complicado, dada la velocidad y el poco tiempo -por debajo del segundo- que tarda en desaparecer. En este caso utilizaremos los astros que se encuentran en nuestro campo de visión para comparar el brillo. Por tanto, antes de comenzar la observación, es importante decidir dónde vamos a situar nuestro centro de visión, siendo este normalmente una estrella o planeta fácilmente reconocible, y, sobre todo, conocer los objetos y constelaciones que podemos ver. Se recomienda utilizar el software libre Stellarium (ref2) para simular la posición de los cuerpos celestes en el momento y lugar de la observación, así como la magnitud aparente de cada uno de ellos.

De este modo, lo primero que haremos será registrar las coordenadas y altitud del lugar de observación, para poder luego reportar los datos al IMO (Organización Internacional de Meteoros ref3). Es importante saber que cuanto más dure nuestra observación más datos podremos reportar y, por ende, más precisos serán los cálculos. A pesar de ello, el tiempo completo que dure nuestra observación debemos dividirlo en intervalos de 10-15 minutos (siempre considerando que la observación la haremos la noche del máximo de las lluvias más activas), debido principalmente a varios factores que afectan al cálculo de la actividad meteórica:

Altura del radiante sobre el horizonte

Bien es sabido que el movimiento de rotación de la Tierra hace que los objetos que nosotros vemos en la cúpula celeste varíen su posición con el tiempo, por lo que la altura del radiante sobre el horizonte (una variable a tener en cuenta al calcular la tasa de actividad) no será la misma al cabo de 15 minutos. Con Stellarium podremos obtener su altura exacta sobre el horizonte en un momento concreto.

Nubosidad

Si una parte del cielo está cubierto por objetos (un edificio, una montaña..) o por nubes, debemos estimar en tanto por ciento esa zona de nuestro campo de visión que no vemos. En el caso de la nubosidad, lo más frecuente es que vaya cambiando con el tiempo, pues las nubes se mueven y van cubriendo y despejando ciertas partes del cielo.

Obviamente si hay una zona del cielo cubierta por nubes, los posibles meteoros que pasen por ahí no los vamos a percibir, por lo que es necesario este factor para corregir los datos. En el caso de que la nubosidad sea variable debemos hacer un promedio ponderado de las estimaciones para el intervalo concreto. Por ejemplo, en nuestro campo de visión tenemos un edificio que ocupa el 5 %. En los primeros 10 minutos las nubes cubren otro 5 %. En los últimos 5 minutos no hay ninguna nube. el facto k (% cielo cubierto) vendría dado por la media ponderada de estos datos:

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Si tuviésemos un 30 % del cielo cubierto lo más recomendable sería cambiar de centro de visión a una zona descubierta o, en su defecto, parar la observación hasta que las condiciones mejoren.

Magnitud límite observable (MALE)

Cuando hablamos de MALE, nos referimos a la estrella de brillo mínimo que nosotros podemos percibir con nuestros ojos. Este factor es también importante, pues cuanto mayor sea la magnitud límite observable, más estrellas podremos ver y, de la misma forma, más meteoros.

Para saber cómo se calcula la MALE puedes acceder a la unidad didáctica de Lluvia de estrellas (ref4) o a la actividad de Calidad Astronómica (ref5). Además, dependiendo de la época del año tendremos que buscar la zona del cielo adecuada (ref6).Obviamente las observaciones son individuales, por lo que cada observador se encargará de calcular la MALE de forma autónoma.

Una buena organización de la observación sería, por ejemplo, dividir la sesión en intervalos de 15 minutos (A la hora de reportar los datos es interesante que en cada intervalo haya no más de 20 meteoros) y calcular la MALE cada media hora. Recordemos que esto es en el caso de que las lluvias tengan un pico de actividad, como puede ser la noche del máximo de las Gemínidas o Perseidas. Para noches con menor actividad meteórica, el intervalo de tiempo puede ser mayor, incluso superior a 1 hora.

4.2 – Reducción de los datos

Cuando decimos que la actividad de las Gemínidas el día de su máximo es de 120 meteoros/hora, nos estamos refiriendo a Tasas Horarias Zenitales (ZHR, por sus siglas en inglés), es decir, el número de meteoros en un periodo de 1 hora que se verán en todo el cielo, siempre y cuando esté completamente oscuro y despejado, y el radiante se sitúe en el zenit. Para calcular la tasa hacemos uso de la siguiente expresión:

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Donde:

N: Número de meteoros contabilizados en un intervalo de tiempo

Teff: Tiempo efectivo del intervalo (Tiempo final – Tiempo inicial)

r: Relación poblacional de la lluvia

ML: Magnitud Límite Observable

k: Proporción de cielo cubierto

z: Altura del radiante sobre el horizonte

El porcentaje de error en nuestras medidas será:

4.3 – Ejemplo

Como ejemplo, calcularemos la tasa de actividad de un intervalo de 15 minutos de un conteo realizado para las Gemínidas de 2014.

5 – Referencias

ref1. Organización Internacional de Meteoros http://www.imo.net/
ref2. Stellarium http://www.stellarium.org/es/
ref3. Formulario de envío de datos al IMO http://www.imo.net/visual/report/electronic
ref4. Unidad didáctica Lluvia de Estrellas http://astroaula.net/mat/unidades/unilluvias.pdf
ref5. Actividad Calidad Astronómica http://astroaula.net/recursos-didacticos/actividades/calidad-astronomica/
ref6. Cartas para calcular la MALE http://www.astroerrante.com/attachments/053_MALE.pdf