¿Cómo funciona el tubo antirocío?

¿Cómo es que un humilde tubo plástico puede mágicamente impedir que el lente frontal de un telescopio se empañe?  ¿Cuál es la mejor forma de construirlo?


Estas son preguntas que muchas veces nos hacemos los astrónomos aficionados.  Curiosamente, las respuestas son muy variadas, y para muchos es todo un misterio.  La Física viene al rescate.

Un tubo antirocío no trabaja por aislamiento térmico (como lo hace un pedazo de espuma sobre algo frío o caliente).  El antirocío trabaja bloqueando la radiación de calor del telescopio al espacio, evitando así que el lente se enfrie por debajo de la temperatura de condensación del agua en el aire.  Veamos cómo se fundamenta esto.

Pérdida de calor por radiación al espacio

Una forma de transmisión de calor es por radiación.  Es la forma en que las estrellas emiten su calor al espacio.  Ese calor es llevado por la radiación electromagnética, que puede ser visible, infrarroja, etc.  Es lo que uno siente frente a una fogata, o al exponerse al Sol.

Entre un cuerpo a temperatura Ta, y otro a menor temperatura Tb, la transferencia de calor del más caliente al más frío esta dada por la ecuación de Stefan-Boltzmann:

E = (Sigma)(Ff)(Fe)(Ta^4 - Tb^4)

donde:

E = Calor neto intercambiado, Watts/m^2

Sigma = Constante de Stefan-Boltzmann, Watts/(m^2-Kelvin^4)

Ff = Factor de forma, factor sin dimensiones menor o igual que 1.0,

      que indica qué fracción del calor emitido por el cuerpo a cae

      sobre el cuerpo b.

Fe = Factor de emisividad, factor sin dimensiones igual o menor que 1.0,

        que depende del material y color de las superficies.

Para nuestro caso solo interesa el hecho de que la transmisión de calor entre el lente frontal y el cielo nocturno depende de las temperaturas de ambos cuerpos, y algunos factores (Sigma y F´s).

Ta (lente frontal) puede estar a unos 20 grados Celsius (293 Kelvin).  Sorprendentemente, la temperatura equivalente del cielo nocturno es de -46 grados Celsius (227 Kelvin).  Esta gran diferencia de temperatura es la que hace que las cosas se enfríen de noche, incluyendo el telescopio, las personas, el suelo, y la atmósfera.

Condensación  

En el aire siempre hay vapor de agua.  Entre más vapor de agua, más alta la humedad relativa del aire, y esta última puede llegar a un máximo de 100%. 

A medida que el lente frontal se enfría, según se explica arriba, se puede llegar a una temperatura en la que el vapor de agua empieza a condensarse como agua líquida.  Esta es la condensación que se forma en la noche sobre el telescopio.

La temperatura en que inicia la condensación se conoce como el Punto de Rocío del aire.  Depende de la temperatura del aire, la humedad relativa, y la elevación del sitio sobre el mar.  Por ejemplo, a nivel de mar, a 20 grados Celsius, y 70% de humedad relativa, el Punto de Rocío es de 14.5 grados Celsius.  A 50% de HR, es de 9.5 grados Celsius.

La condensación nocturna solo se da bajo un cielo despejado.  En una noche nublada, las nubes impiden la radiación del calor al espacio exterior, y son menos frías que si estuviera despejado.

Tubo antirocío

Con todo lo anterior, vemos cómo es que funciona el tubo antirocío para evitar la condensación.  De nuevo, el antirocío trabaja bloqueando la radiación de calor del telescopio al espacio, evitando así que el lente se enfrie por debajo de la temperatura de condensación del agua en el aire. 

Antirocío calentado eléctricamente

Esto también permite entender cómo funciona el antirocío calentado eléctricamente, tipo Kendrick.  Lo que hace el calentador pegado a la periferia del lente frontal es mantener el lente por encima de la temperatura de condensación.  Por eso es que no se siente caliente al tacto, solo ocupa mantener la temperatura por encima del Punto de Rocío.  De hecho es preferible que no se sienta caliente al tacto, porque crearía corrientes de convección de aire caliente que degradarían la óptica.

Preguntas

¿Se gana algo con un antirocío hecho con espuma aislante de hule, como los que vende Orion? No.  El Factor de Emisividad Fe casi no cambia si el material es espuma negra, o plástico negro, o aluminio negro.

¿Cuál es el mejor material?  Casi que da lo mismo cualquier cosa pintada de negro.  El Factor de Emisividad Fe es alrededor de 0.8 para cualquier cosa negra.  El plástico es resistente a la humedad, y no raya el telescopio al caerle encima.  Nótese que en realidad un material plateado en realidad es mejor porque tiene una emisividad baja y por tanto libera menos calor por radiación (enfría menos rápido), pero por razones ópticas se prefiere el color negro.

¿El antirocío garantiza que no se formará condensación?  No.  La transmisión de calor lente-espacio se sigue dando, aunque en menor medida, y dado suficiente tiempo, se podrá empañar.  Lo que hace es retrasar en enfriamiento.

¿De qué largo se recomienda el antirocío?  La recomendación usual es 2 o 2.5 veces el diámetro del telescopio.  Entre más largo sea más cubre el lente frontal (menor Factor de Forma Ff), y por tanto, más tiempo aguanta antes de condensar.  Sin embargo, el ser más largo trae el problema de que el viento mueve más el telescopio.

¿Por qué nunca hace falta un antirocío sobre un telescopio newtoniano?  Porque el tubo mismo actúa como el antirocío sobre el espejo primario que está al fondo.  Esto demuestra que no hace falta material aislante, como espuma de hule, para que sea un antirocío.




Preservación del Cielo Nocturno

¿Se ha fijado en el cielo nocturno recientemente? Nuestra capacidad para contemplar las maravillas del universo se ha ido perdiendo. La contaminación lumínica de las ciudades está impidiendo que las personas puedan observar las galaxias, nebulosas, y otros objetos celestes. Esto sucede porque la atmósfera nocturna se ilumina, pierde su oscuridad, y no permite discernir la tenue luz de los astros.

Contaminación lumínica. Es posible que el término “contaminación lumínica” resulte desconocido para muchas personas. Esta contaminación se da cuando se hace un mal uso de la iluminación exterior. Causa problemas no solo en la observación astronómica, sino también en la seguridad de las comunidades, el desperdicio de energía, y la ecología.

El brillo del cielo nocturno de las ciudades es un problema para la astronomía, pues impide observar objetos cuya luz es tenue debido a que viajan una enorme distancia para llegar a la Tierra.

También lo es para el público en general, que en su mayoría aprecia la belleza del cielo nocturno, puesto que impide a las actuales generaciones la observación desde las ciudades. En un cielo nocturno no contaminado es posible observar a simple vista cerca de 3000 estrellas, mientras que en muchos suburbios de San José apenas se pueden ver unas pocas decenas de estrellas. Hace unos 20 años el volcán Irazú era un buen lugar para la observación astronómica, pero hoy en día está sumergido en la contaminación lumínica del Valle Central.

Mala iluminación. Más iluminación exterior durante la noche no significa más seguridad. Si la luz no se dirige hacia abajo y hacia los objetos, sino que se proyecta horizontalmente, se crea un efecto de encandilamiento similar al que sufre un observador al ver acercarse un automóvil con sus luces de frente. El encandilamiento es iluminación de mala calidad, y en vez de ayudar a la seguridad de las casas y barrios, es un obstáculo para la buena visibilidad que se desea.  No se trata de iluminar menos, sino con calidad.

La mala iluminación también es un claro ejemplo de desperdicio de energía. Se estima que con un modelo muy común en Costa Rica de lámpara de alumbrado público, a base de vapor de sodio, conocida como “cabeza de cobra”, cerca del 30% de la luz se desperdicia. Esto se debe a que mucha luz se dirige horizontalmente, y, al llegar a impactar al suelo en un punto muy alejado de la lámpara, la iluminación es muy poca. Incluso esta lámpara emite luz hacia arriba, lo cual tiene casi solo efectos negativos. Si se toman en cuenta solo las lámparas de la CNFL, que están en el Valle Central, el desperdicio de energía tendría un costo del orden de unos 1000 millones de colones al año.

Soluciones. Existen algunas soluciones concretas para el problema de la contaminación lumínica. Dado que se estima que cerca del 50% de la contaminación lumínica proviene del alumbrado público, es conveniente que se usen los tipos adecuados de lámparas. Estas lámparas emiten la luz hacia abajo, hacia donde se necesita, sin esparcir luz en direcciones horizontales o hacia arriba. El elemento cobertor de vidrio, conocido como el difusor, debe ser plano y horizontal, y no del tipo abombado hacia abajo. Estas lámparas se conocen comúnmente como “caja de zapato", y se han usado en el país en proyectos como supermercados y centros comerciales.

El uso de alumbrado público de vapor de sodio de baja presión es una opción más eficiente energéticamente que las de mercurio, o sodio de alta presión.

La ciudad estadounidense de Flagstaff, en el estado de Arizona, ha apoyado con gran entusiasmo este tipo de iniciativas. La ciudad implementó un plan de mejora de la iluminación pública, que incluyó el reemplazo de todas las lámparas a base de vapor de sodio y mercurio de alta presión, por lámparas de vapor de sodio de baja presión. Esto muestra que sí es posible tener iluminación en armonía con la naturaleza.

http://www.nacion.com/ln_ee/2008/abril/09/opinion1490807.html


Domingo de Resurrección del 2008

Para no perder la costumbre , esta Semana Santa de 2008 vuelvo a hacer un comentario sobre la fecha de Domingo de Resurrección, o Domingo de Pascua DP, la cual tiene un origen astronómico.

Este año el DP tiene la peculiaridad de que cayó muy temprano, el 23 de marzo.  De hecho, cayó solo un día después de la fecha más temprana posible, que es 22 de marzo.  La fecha más tardía posible es 25 de abril.

¿Por qué cayó tan temprano?  Es simplemente resultado del algoritmo eclesiástico con que se calcula la Semana Santa.

Este año sí cumple con la regla popular, pero incorrecta, de que el DP es el primer domingo después de la primera luna llena posterior al Equinoccio de Primavera.  El equinoccio es el 19 de marzo de 2008, a las 23:48 horas (tiempo de Costa Rica), mientras que la luna llena es el 21 de marzo a las 12:40 horas.  Y DP cayó 23 de marzo.

¿Entonces, cómo es que en realidad se calcula el DP?  Estrictamente hablando, el DP es el domingo posterior a la luna llena eclesiástica que ocurre en o luego del 21 de marzo.  Eso de "eclesiástica" significa, en cristiano, que se calcula según un método determinado por la Iglesia Católica... independientemente de que sea astronómicamente correcto o no...

Como curiosidad, las fechas de Semana Santa se repiten cada 532 años.

(Fuente:  Meeus, Astronomical Formulae for Calculators, y U.S. Naval Observatory, Explanatory Supplement to the Astronomical Almanac).




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