La cara oculta de la Luna

Azkargorta Aretxabala, Jon

Fisikan doktorea. Bilboko Ingeniaritza Goi Eskolako irakasle eta ikertzailea

EHU

El tiempo que tarda la Tierra en formar una órbita alrededor del Sol es de un año. El tiempo que tarda la Tierra en girar alrededor de su eje, en cambio, se llama día. En un año hay unos 365 días. Eso es muy conocido. ¿Pero siempre ha sido así? Por su parte, la Luna forma una órbita alrededor de la Tierra, una vez al mes, y también gira sobre su eje una vez al mes (27,32 días). ¡Los dos son iguales! Noticias En consecuencia, la Luna siempre nos muestra la misma cara. Si miramos con cierta atención al cielo, siempre veremos esa diferencia: a veces una parte iluminada y otra oscura... pero siempre la misma. Sin embargo, el Sol ilumina o "ve" por igual a ambos lados de la Luna, pero nosotros no: siempre mirando hacia nosotros está el mismo lado de la Luna, tanto cuando está iluminada como cuando no.
La cara oculta de la Luna
01/04/2008 | Azkargorta Aretxabala, Jon | Doctor en Física

(Foto: De archivo)

La Luna existía antes de que el hombre surgiera, y siempre nos ha fascinado, durante miles de años, pero nunca hemos visto su parte posterior.

En 1959 los soviéticos enviaron la misión Luna-3 y consiguieron fotografiar la parte trasera… todavía no se han cumplido 50 años [1]. Como hemos dicho, desde la Tierra nunca se puede ver esa parte posterior de la Luna, si no es en una foto.

En principio no existe relación física entre la rotación de un cuerpo y la duración de una órbita. Entonces, ¿por qué la duración de un 'día' de la Luna coincide con la duración de un 'mes'? ¿Es casualidad? ¿El capricho de la Luna?

Hay una razón y tiene que ver con las mareas. Sabemos que en la Tierra el mar sube y baja dos veces al día. El motivo está explicado en profundidad en el artículo [2], pero aquí voy a hacer un breve resumen:

A la izquierda, parte de la Luna que vemos. Al lado, lo que no vemos, es decir, lo que oculta, mírale con tranquilidad y tranquilidad, porque nunca lo verás en el cielo de la noche.
ANDÉN

Al igual que la Tierra atrae a la Luna, la Luna también atrae a la Tierra. Pero debido al tamaño de la Tierra, la zona próxima a la Luna siente mayor atracción que la central y el mar se acerca a la Luna. Por otra parte, la zona alejada de la Luna se siente menos atraída que la central y el mar se aleja de la Luna. Como consecuencia de ello, la Tierra sufre una "deformación", con dos lados de la pleamar (G) y dos de la bajamar (B) simultáneamente en la Tierra (Figura 1).

A esto hay que añadir que la Tierra rota una vez al día, por eso tenemos dos pleamares cada día y dos bajamares cada día.

Al igual que la Luna crea las mareas en la Tierra, la Tierra también las crea en la Luna. ¡Vale! En la Luna no hay mar pero los cuerpos sólidos se deforman tanto como líquidos, pero se deforman como una pelota de goma. La deformación de la tierra sólida que produce la Luna es de pocos centímetros y nosotros no nos damos cuenta de ello, pero los sismógrafos, por ejemplo, detectan muy bien las mareas de tierra. Pues en la Luna también hay mareas sólidas y el suelo sube y baja cada vez que se molesta la Luna, es decir, dos veces al mes.

Cómo afecta la Tierra a la rotación de la Luna

La Tierra Deformada por la Luna
la deformación está muy aumentada para que se resalte gráficamente. También en los gráficos de las páginas siguientes
(Foto: G. Roa)

Si la Luna fuera totalmente elástica, respondería 'enseguida' a la atracción de la Tierra y su 'deformación' estaría alineada con la Tierra, como se muestra en la figura 2A. Sin embargo, en todo el universo no hay material totalmente elástico, y la fricción interna y la inercia del material sólido hacen que la respuesta de la Luna se produzca más tarde, es decir, con un retraso, como en la figura 2B.

La conclusión es espectacular (figura 3): Cuando la Tierra atrae a la Luna, la fuerza del lado A tiende a hacer girar la Luna hacia las agujas del reloj, mientras que la fuerza del lado B hace girar la Luna contra las agujas del reloj. La fuerza del lado A es algo mayor, porque está más cerca de la Tierra, lo que hace que la Tierra haga girar a la Luna hacia las agujas del reloj, o lo que es lo mismo, ralentiza la rotación de la Luna.

¿Hasta cuándo dura esta amortiguación? Pues la rotación de la Luna se ha ido amortiguando poco a poco y durante miles de años, hasta llegar en la actualidad a una posición de equilibrio, es decir, a una posición simétrica, donde el punto A y el punto B están situados en la misma dirección de la Tierra. Por eso, desde la Tierra sólo vemos la zona A de la Luna, porque la Tierra ha sincronizado o "frenado" la rotación de la Luna desde hace tiempo.

La mayoría de los satélites naturales o 'luna' del sistema solar, al igual que nuestra Luna, están sincronizados; los satélites de Marte, Júpiter, Saturno, etc. tienen el mismo período de rotación y órbita alrededor del planeta [3].

La Luna deformada por la Tierra. A la izquierda se muestra que la Luna responde con un retraso a la atracción de la Tierra. A la derecha, fuerzas que provocan la sincronización de la Luna con la Tierra.
G. Roa

El Sol también genera fuerzas mareales que han hecho que las rotaciones de Mercurio y Venus no se hayan sincronizado del todo, pero si están bastante amortiguadas, son las más cercanas. El resto de los planetas están lejos y el efecto es más débil, pero existe.

Cómo afecta la Luna a la rotación de la Tierra

Si la Tierra ha paralizado la rotación de la Luna, es lógico pensar que la Luna tendrá un efecto similar sobre la Tierra. Es cierto. La Tierra no muestra siempre la misma diferencia a la Luna, es decir, la Tierra no está 'sincronizada', pero se está ralentizando.

Como la masa de la Tierra es mucho mayor que la de la Luna, habrá que pasar más tiempo hasta que la Tierra llegue a 'parar', pero en eso está: La duración de un día en la Tierra era más corta en el pasado, es decir, la Tierra giraba más rápido.

La Luna siempre muestra la misma cara a la Tierra, pero la Tierra no a la Luna.
ESA
Hay estudios paleontológicos que han ido lejos en el tiempo y que demuestran este resultado [5]: por ejemplo, los fósiles coralinos tienen anillos o capas de crecimiento llamados ephitecas. Al igual que en los troncos de los árboles, cada anillo muestra el crecimiento del coral durante un ciclo de un año. Estudios más detallados han demostrado que dentro de cada capa existen otras capas más finas: son capas mensuales, dentro de las cuales hay otras capas aún más finas. Las capas más finas se han considerado como indicadores de crecimiento diario. Se ha contado el número de capas finas dentro de una capa anual de fósiles coralinos de la época Devónica del Paleozoico (hace 400 millones de años): 400 anillos. Por el contrario, dentro del anillo de un año de coral-fósil de Garai Carbonífero (300 millones de años) hay 380 capas. Esto significa que la Tierra giraba 400 veces al año en la época devónica y hacía 380 giras al año en el Carbonífero. Cada cual puede hacer un pequeño cálculo y ver que en la época devónica el día de la Tierra duraba unas 22 horas y en la época Carbonífera unas 23 horas. Sabemos que actualmente dura unas 24 horas.

Se ha comprobado el mismo resultado con otros métodos, es decir, que la Tierra está cada vez más ralentizada. De hecho, con la precisión de los relojes atómicos se ha demostrado que la duración del día es cada vez mayor: 2,3 milisegundos por siglo [4].

Alejándose

Como se ha demostrado en el apartado anterior, la Luna ejerce el mismo efecto que la Tierra sobre la Luna: amortiguar la rotación. La figura 4 muestra, a la izquierda, la Tierra y las fuerzas de la Luna sobre la Tierra (A y B). Estas dos fuerzas son las que están frenando la rotación de la Tierra, como se ha comentado en el apartado anterior.

Al igual que la Luna, la Luna ralentiza la rotación de la Tierra. La siguiente figura muestra las fuerzas que lo provocan.
G. Roa

Por otra parte, la parte derecha de la imagen muestra la Luna y las fuerzas que ambas partes de la Tierra ejercen sobre la Luna (A' y B'), que son reacciones de las anteriores, exactamente iguales pero opuestas.

Las fuerzas A' y B' que soporta la Luna tienen un componente (y el principal) en la dirección de la Tierra, pero tienen otro componente perpendicular a esta dirección. La fuerza 'A' sube un poco y la fuerza 'B' baja, pero la fuerza 'A' es algo mayor porque la Tierra está más cerca que la B. Por lo tanto, otra consecuencia de las fuerzas mareales es que la Luna tiene una aceleración tangencial ( a t ) o que está aumentando su velocidad. Si se aumenta la velocidad, la fuerza centrífuga de su órbita también aumenta, lo que provoca un aumento del radio de la órbita. Así, con el paso de los años, la Luna se está alejando de la Tierra y su 'mes' es cada vez más largo.

Los físicos dicen que la energía no se produce ni se borra, es decir, se conserva, pero se cambia de un tipo a otro: Si la rotación de la Tierra y la Luna se está ralentizando, la energía cinética irá perdiendo, aunque esta energía se está convirtiendo en energía potencial a medida que la Luna y la Tierra se alejan.

De hecho, la órbita de la Luna no es un círculo ni una elipse, sino que va creciendo poco a poco como una espiral. Mediciones exactas han demostrado que la Luna se está alejando casi cuatro centímetros al año [6].

(Foto: De archivo)
¿Hasta cuándo durará esta desaceleración de la rotación de la Tierra? ¿Y hasta cuándo la Luna estará alejada de la Tierra? Se calcula que la Luna seguirá alejándose hasta aumentar en un sesenta por ciento la distancia actual. Para entonces la rotación de la Tierra estará ralentizada y la duración del día será la misma que el mes de la Luna, y ambas serán de unos cincuenta y cinco días [7] (el día de esta frase es la duración del día actual). En ese momento, la deformación de la Tierra y la de la Luna serán simétricas respecto a la dirección entre ambas, es decir, la Tierra, vista desde la Luna, siempre mostrará la misma cara y mantendrá la otra en secreto, pero hasta que esto ocurra se tardarán miles de millones de años.

Cómo surgió, un misterio todavía
Si en lugar de avanzar en el tiempo retrocedemos, los cálculos nos muestran que hace dos mil millones de años la distancia Tierra-Luna era mucho menor, varias veces más larga que el radio terrestre. Este cálculo resucita una vieja pregunta de los científicos: ¿cuál es el origen de la Luna?
Diversas teorías han servido para comprender el origen de la Luna. Una primera teoría dice que la Luna y la Tierra eran dos cuerpos y que la Luna se separó de la Tierra porque la Tierra giraba demasiado rápido [8]. Esta teoría explica por qué las piedras procedentes de la Luna y las piedras terrestres tienen una antigüedad geológica similar. La datación de las piedras lunares demostró que tenían unos 4.500 millones de años, al igual que las piedras terrestres, por lo que ambas tienen la misma edad. Esta teoría explica también por qué la densidad de la Luna (3,3 g/cm 3 ) es similar a la de la superficie terrestre, pero no similar a la del núcleo terrestre. Sin embargo, esta teoría tiene varios huecos: se necesita una rotación muy rápida para distribuir así la Tierra (unas 3 horas) y además el plano de la órbita de la Luna quedaría cerca del plano del ecuador terrestre, como la mayoría de los satélites naturales del resto de los planetas (como máximo 1º o 2º), pero la órbita de la Luna tiene una inclinación muy elevada respecto al ecuador (unos 24º). Por otra parte, la proporción de masa de la Luna respecto a la Tierra es muy elevada (1:81). Todos los satélites naturales del Sistema Solar poseen unas proporciones de masa muy pequeñas respecto a su planeta (alrededor de 1:10.000) y la de la Luna, que es la más grande del Sistema Solar.
Una segunda teoría dice que la Luna se originó en otro lugar, que hacía otra órbita alrededor del Sol y que al pasar junto a la Tierra quedó atrapada total o parcialmente por la gravedad de la Tierra [9]. Esta teoría explica por qué la proporción másica de la Luna es mucho mayor que la de otros satélites naturales y por qué tienen distintas composiciones. El titanio, el vanadio y otros metales ligeros son mucho más abundantes en la superficie de la Luna que en la Tierra, mientras que el hierro es mucho menor que en la Tierra. Esta teoría explica también por qué la órbita de la Luna tiene un ángulo tan pequeño (unos 5º) respecto a la elíptica, muy inferior al ecuador terrestre. Sin embargo, esta teoría también tiene lagunas: no es fácil atrapar un cuerpo en el espacio, ya que se necesitan ángulos y distancias muy precisas y se necesita una gran pérdida de energía en un determinado periodo de tiempo. Quizá la Luna se rompiera cuando estaba cerca de la Tierra y parte cayó en ella y la otra quedaba en órbita. Las probabilidades de este fenómeno son escasas, pero es posible.
(Foto: ANDÉN)
Una tercera teoría sostiene que ambas surgieron simultáneamente en la misma región del espacio o muy cerca, pero que no llegaron a reunirse [10]. Esta teoría evita este suceso poco probable de la captura aleatoria, pero no explica por qué tienen composiciones tan diferentes. Si ambos nacen juntos y en la misma región del espacio, deberían tener composiciones similares.
La cuarta teoría que se está imponiendo en la actualidad es una combinación de las anteriores, es decir, un protoplaneta (Theia) de tamaño similar a Marte sufrió un violento choque con el protolor hace 4.500 millones de años [11]. Este terrible choque dejó una gran cantidad de residuos alrededor de la Tierra que durante millones de años fueron condensándose hasta formar la Luna. Esto puede explicar por qué la masa de la Luna es tan grande con respecto a la Tierra, por qué tiene una órbita tan inclinada con respecto al ecuador y menos inclinada con respecto a la eclíptica, por qué tiene una composición tan diferente y por qué tiene una edad similar a la de la Tierra. Sin embargo, las condiciones de un choque de este tipo deben ser muy concretas y especiales (masas, velocidades y ángulos de los dos planetas), y si no se cumplen exactamente hasta el último detalle, las consecuencias de la colisión son muy diferentes: los dos cuerpos pueden quedar pegados, pegar una parte y el otro puede escapar o atraer, pero puede escapar sin choques.
En los cálculos no es difícil establecer condiciones previas al choque para conseguir los efectos deseados. Así, los modelos matemáticos pueden simular y reproducir casi cualquier suceso. ¿Pero qué probabilidades tienen de que todas estas condiciones se produzcan a la vez?
La verdad es que todavía hay muchos misterios alrededor de la Luna.
Referencias:
[1] Barandiaran, M. e Irazabalbeitia, I.
"Pequeño paso para un hombre...", Elhuyar Zientzia eta Teknika, 01/11/1989. http://www.zientzia.net/elhuyar.asp
[2] Susaeta, T.
"Marea gora, marea behera", Elhuyar Zientzia eta Teknika, 01/02/1999. http://www.zientzia.net/elhuyar.asp
[3] "Tidal locking", Wikipedia, the free encyclopedia. http://en.wikipedia.org/wiki/Tidal_locking
[4] Ocean Tides and the Earth's Rotation, IERS Special Bureau for Tides http://bowie.gsfc.nasa.gov/gfc/tides/intro.html
[5] Trefil, J.S.
Un científico a la orilla del mar , Editorial Planeta, 1989. Capítulo 5, "La otra cara de la luna", pp. 66-80.
[6] Measuring the Moon's Distance, Apollo Laser Ranging Experiments Yield Results, LPI Bulletin, 72. nº Agosto 1994 http://sunearth.gsfc.nasa.gov/eclipse/SEhelp/ApolloLaser.html
[7] Gladman, B. et al.,
"Synchronous Locking of Tidally Evolving Satellites", Icarus 122: 166, (1996), pp. 166-192.
[8] Binder, S.A.
"On the origin of the moon by rotational fission", The Moon, Vol. 11, septiembre-octubre 1974, pp. 53-76.
[9] E.U. Mitler
"Formation of an iron-poor moon by partial capture, or: Yet another exotic theory of lunar origin", Icarus, vol. 24, febrero 1975, pp. 256-268.
[10] Stevenson, D.J.
"Origin of the moon - The collision hypothesis", Annual review of earth and planetary sciences, vol. 15 (A88-18742 06-91), 1987, pp. 271-315.
[11] Canup, R.; Asphaug, E.,
"Origin of the Moon in a giant impact near the end of the Earth's formation",
Nature 412 (2001): 708-712.
Azkargorta Aretxabala, Jon
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