Como la ciencia solar sigue avanzando, los investigadores están encontrando nuevas maneras de estudiar y predecir el comportamiento de nuestra estrella, cuyos caprichos ponen en peligro nuestra forma de vida dependiente de la tecnología Pero, ¿qué significa el pico próximo de las tormentas solares, y cómo esas tormentas afectarán a la Tierra, aún no se sabe.
El Dynamo solar
El ciclo solar está marcado de mínimo a mínimo, por lo que el máximo solar se produce hacia la mitad del ciclo. Los científicos no están seguros de por qué los ciclos se hacen constantemente cada unos 11 años, pero sí comprenden los mecanismos que hacen a la actividad solar como las llamaradas solares y eyecciones de masa coronal (CMEs).
El campo magnético del Sol, como la Tierra, se genera desde adentro por el movimiento fluido de material. Pero mientras que el campo magnético de la Tierra se perpetúa por la agitación del metal fundido en el núcleo externo líquido del planeta, el campo magnético del Sol se produce por el movimiento del plasma - un estado supercalentado de la materia en el que los electrones han sido despojados de átomos, dejando un gas como cuerpo de iones positivos y electrones libres.
Ni la tierra ni el campo magnético del Sol es simétrico, estable o estacionario. Pero los campos magnéticos del sol son más complejos que en la Tierra. En lugar de un norte y un polo sur, el sol tiene muchos polos, con los campos magnéticos que constantemente se hinchan,se doblan y torsiónan. Un mapa de la estructura magnética del sol en un momento dado aparece más como una bola de hilo enredado o un montón de serpientes retorciéndose. Es como la toroide simétrica de las ilustraciones de los libros de texto, y en un ciclo de 11 años, cambia la estructura magnética solar entera. Y ese retuerce y enredo que produce la actividad solar , afecta al resto del sistema solar.
Las manchas solares, llamaradas solares y las CMEs
La actividad solar tiene tres ingredientes básicos: rotación diferencial, plasma y campos magnéticos, dice C. Alex Young, un astrofísico solar y director asociado de ciencias de la División de Heliofísica de la Ciencia en la NASA Goddard Space Flight Center en Greenbelt, Md. Rotación diferencial significa que el sol gira a diferentes velocidades y direcciones en diferentes latitudes y profundidades. Eso hace que los plasmas y campos magnéticos interactuar. "Ellos se tuercen todos en el interior", dice Young. "Es como la banda de goma en un avión de madera balsa - usted tuerce la banda de goma hasta que empiece hacerse un nudo para arriba", dice. Pero cuando las líneas magnéticas del sol sobre el terreno se enredan en nudos, se vuelven boyantes y el salen hasta la superficie, donde se producen las manchas solares, dice Young.
Una sola mancha solar tiene unos miles de veces mayor fuerza magnética que todo el campo magnético de la Tierra, y la influencia suficiente para suprimir el calor y crear zonas de la superficie donde las temperaturas alcanzan tan sólo 3.700 grados Kelvin, 2.000 grados Kelvin más frías que la superficie circundante.
Visiblemente más oscuro que el resto del sol, una mancha solar puede durar días o semanas. Sin embargo, las líneas de campo magnético que causan las manchas solares no se pueden quedar enredadas. Cuando las líneas se tuercen hacia arriba ", el campo magnético se pone muy inestable y por lo que reconfigura a sí mismo y libera energía - la banda de goma se rompe," dice Young. La liberación de energía puede producir la luz en forma de una erupción solar, o se puede producir una CME, o tanto una bengala y un CME.
Aunque los términos llamarada solar y CME se usan indistintamente, no son la misma cosa. "Básicamente, una llamarada solar es un breve destello de radiación electromagnética - desde ondas de radio hasta los rayos gamma, del espectro electromagnético - y una CME es de aproximadamente mil millones de toneladas de plasma solar y un campo magnético", dice Young. Es por eso que los físicos solares a menudo se refieren a una CME como una nube magnética. "Es una gran gota de plasma", dice él, que viaja entre 1,5 y 8 millones de kilómetros por hora y, de ser expulsado en nuestra dirección, por lo general llega a la Tierra en dos o tres días.
Más grande que la Tierra la CME conocida por haber golpeado, llamado el Evento Carrington, permitió a los investigadores darse cuenta de la conexión entre la actividad solar y el campo geomagnético de la Tierra . Esa CME, que se produjo en 1859, interrumpió lo que la tecnología eléctrica utilizaba poco en ese tiempo, tal vez sobre todo el sistema de telégrafo. Pero acontecimientos más pequeños ya han impactado al mundo moderno. En 1972, una CME causó una tormenta geomagnética que interrumpió líneas de teléfono en Illinois. Un evento en 1989 derritió transformadores de potencia en New Jersey y dejó sin electricidad a Quebec, dejando a más de 6 millones de personas sin electricidad durante medio día. En 2003, las grandes tormentas de Halloween dejaron sin energía eléctrica en algunos lugares y cerró algunos satélites. Y en 2006, el ruido de radio de una explosión solar interrumpió las comunicaciones por satélite con las estaciones de superficie y perturbó el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) durante 10 minutos.
Monitoreo del Clima Espacial
Cuando las CME interactúan con el campo magnético de la Tierra, pueden causar estragos en nuestras tecnologías. Así que los científicos mantienen una estrecha vigilancia sobre dicha actividad.
Una variedad de satélites, incluyendo SOHO de la NASA ( Observatorio Solar y Heliosférico ), STEREO ( Observatorio de las Relaciones Solar Terrestre) y SDO ( Solar Dynamics Observatory ), y los observatorios basados en tierra mirando hacia el sol las 24 horas del día, monitorear la actividad solar como es el caso . Dentro de una media hora de que una CME se desgarra del sol, los científicos no sólo saben que ocurrió, sino también en qué dirección va y qué tan rápido, dice Joe Kunches, un científico espacial del NOAA Centro de Predicción de Clima Espacial en Boulder, Colorado
"Recibimos información dentro de los tres segundos desde que los satélites miden", dice Kunches. Sin embargo, los científicos no saben con certeza que la CME se dirija hacia la Tierra, o lo intensa que va a ser, hasta que llega al Explorador de Composición Avanzada , o ACE, vía satélite. El satélite ACE fue lanzado en 1997 y se encuentra en un punto de la Tierra y el Sol en equilibrio gravitacional, conocido como Lagrange (o libración) punto, alrededor de 1,5 millones de kilómetros de casa. Está equipado con nueve sensores e instrumentos para el estudio de los campos magnéticos, el viento solar y las partículas aceleradas por la actividad solar y otros medios.
"ACE es nuestro sistema de alerta temprana", dice Young. Dependiendo de la velocidad de un CME, el satélite ACE puede proporcionar 20 a 60 minutos de advertencia antes del impacto, suficiente para permitir a astronautas volver a la relativa seguridad de su nave espacial o para avisar a los operadores de la red de energía que sus sistemas pronto puede estar sobrecargado.
Las llamaradas solares son otra historia. Se propagan a la velocidad de la luz, ya que son, técnicamente, la luz - la radiación electromagnética - así que cuando vemos una llamarada solar, ya está aquí.
Desde 1975, los satélites geoestacionarios operacionales del medio ambiente (GOES) han orbitado la Tierra, la observación meteorológica y el control de rayos X, es un signo revelador de una llamarada solar. Una llamarada solar libera una cantidad de energía equivalente a millones de bombas de hidrógeno estallando a la vez, e incluso a millones de kilómetros del sol, los rayos X son lo suficientemente fuertes como para poner en peligro a astronautas. Aunque el GOES no puede proteger a los astronautas proporcionando una alerta de erupciones solares, los satélites contribuyen a la comprensión de la conducta más explosiva del sol.
Predicción del Clima Espacial
Mientras que las herramientas de la ciencia para observar y estudiar la actividad solar son cada vez mejores, los científicos aún no saben cuando las llamaradas solares o CMEs se producirá hasta que ya existen. Un buen ejemplo del desafío de predecir la actividad solar es de las Grandes tormentas de Halloween, en el 2003 que se produjo un par de años después del último máximo solar, cuando el sol parecía estar calmándose. Durante un período de tres semanas a partir de mediados de octubre, hubo 17 erupciones importantes y CMEs Las personas dijeron haber visto auroras tan al sur como Florida. Mientras tanto, los controladores aéreos desviaron vuelos, e incluso algunos de los satélites cuyo único propósito era observar la actividad solar no funcionaron temporalmente o fueron dañados.
Por lo general, una CME necesita dos o tres días en llegar desde el Sol a la Tierra, dice Kunches . Pero las CME de las tormentas de Halloween llegaron a la Tierra en tan sólo 19 horas.
Las tormentas de Halloween eran un estallido de actividad sorprendente, pero el sol puede desafiar su ciclo en la dirección opuesta también. Desde mediados del siglo 17 hasta el siglo 18, la actividad de las manchas solares dejó en las cartas en un período que ahora se llama el Mínimo de Maunder. "Básicamente no hubo manchas solares durante 70 años", dice Kunches. Los científicos no saben por qué ocurrió esto, dice, ni se sabe cuándo podría volver a ocurrir. De hecho, añade, "algunos científicos piensan que estamos a punto de entrar en uno de esos períodos."
En un esfuerzo por pronosticar la actividad solar y el clima espacial y sus resultados, los físicos solares se han centrado en el interior del Sol, donde el calor y los cambios de presión causan turbulencia, creando ondas de sonido que viajan a través del interior del sol. Este fenómeno hace que las ondas en la superficie del sol, cuyo estudio - llamado heliosismología - puede proporcionar a los investigadores las previsiones elementales para la actividad solar.
"Pero no tenemos ninguna manera de predecir lo que va a pasar", dice Jere Jenkins, un ingeniero nuclear de la Universidad Purdue que está trabajando en una manera de predecir la actividad solar medio día antes de que suceda algo por el seguimiento en la Tierra: la velocidad a la que se produce la descomposición de elementos radiactivos. Jenkins y Ephraim Fischbach, un profesor de física de Purdue, han propuesto una hipótesis controvertida que los neutrinos procedentes del Sol interactúan con, las tasas de desintegración de elementos radiactivos en formas que son consistentes y detectables, suficiente para predecir las tormentas solares. "Cada segundo, unos 60 mil millones de neutrinos solares pasan a través de la uña de un pulgar - alrededor de 1 centímetro cuadrado -, pero en su vida, sólo uno se detiene dentro de su cuerpo", dice Jenkins. "Así que hay un montón de ellos, pero que realmente no interactúan con nada en el" camino estándar ".
A mediados de la década de 2000, Jenkins y Fischbach estaban estudiando la aleatoriedad estadística de la desintegración radiactiva cuando notaron una periodicidad en los cambios en la tasa de descomposición. La tasa de decaimiento cayó en enero, cuando la Tierra está más cerca del sol. Después de descartar otras variables y encontrar periodicidades similares en la literatura, se preguntaban si podría ser la influencia del sol.
Luego, a finales de 2006, una erupción solar durante el mínimo solar tomó a todos por sorpresa, incluso los astronautas en la Estación Espacial Internacional que se encontraban en un paseo espacial cuando la llamarada estalló.
Utilizando los datos de VA para determinar el momento de la antorcha, la pareja descubrió un mínimo en la desintegración radiactiva en la Tierra que coincide con el máximo de actividad recogidos por el satélite. También descubrieron algo que era quizás aún más importante. "Empezamos a ver un cambio en la tasa de desintegración entre 39 y 40 horas antes de la erupción", dice Jenkins.
Acerca de una docena de estudios han sido publicados que apoya la hipótesis de que algo sucede en el sol que influye en la tasa de desintegración radiactiva antes de observar las erupciones solares, y los investigadores han observado 10 bengalas solares más desde 2006 con resultados más o menos en línea con Jenkins y hallazgos de Fischbach. Sin embargo, la hipótesis sigue siendo polémica, ya que va en contra de los paradigmas establecidos.
Más de 80 años atrás,el físico Inglés Ernest Rutherford declaró que las tasas de desintegración radiactiva son constantes. Además, los neutrinos solares se cree que interactúan con casi nada. Así que estos son "dos paradigmas que estamos desafiando", dice Jenkins.
A pesar del fuerte retroceso de algunos físicos de partículas, los físicos nucleares y otros, Jenkins y Fischbach siguen adelante con los intentos de desarrollar un servicio de predicción basado en la monitorización radioisótopo, la cual, dice Jenkins, podría proveer a las agencias gubernamentales y empresas con 12 a 18 horas de aviso antes de que una llamarada solar o CME entra en erupción. Redes de energía, satélites, aviones, astronautas, naves transoceánicas y otros podrían cerrar temporalmente, volver a la ruta, o hacer una pausa a la espera de una llamarada solar o CME.
Sin previo aviso por ejemplo, "un evento Carrington acabaría con todo hacia ", dice Jenkins. "Nos gustaría estar de vuelta a la tecnología de 1930", dice.
En un próximo número, la revista TIERRA abordará cuestiones de política espacial del clima, de la vulnerabilidad de la red eléctrica de EE.UU. y satélites, para mitigar el impacto de los eventos solares, así como la forma de un evento Carrington afectaría la vida cotidiana en esta época de tecnología avanzada.
El largo camino hacia la comprensión de nuestra estrella
Los primeros registros escritos de las manchas solares se remontan al 165 aC en China, pero la comprensión humana del sol no empezó a hacer saltos hacia adelante hasta principios de 1600, poco después de la invención del telescopio. Fue entonces cuando Galileo Galilei, Thomas Harriot y otros comenzaron a dibujar las manchas solares y el seguimiento en detalle cómo se movían y cambiaban .
El Astrónomo danés cristiano Horrebow fue probablemente el primero en sugerir que la actividad solar era cíclica. Él y un grupo de investigadores en Copenhague observaron manchas solares a partir de 1761. En una entrada de su diario del año de su muerte en 1776, Horrebow escribió que la presencia de las manchas solares debia ser periódica, pero que no podía determinar el período en los años de sus observaciones, según una revisión de 2010 por David Hathaway, un físico solar de la NASA Marshall Space Flight Center en Huntsville, Alabama
Farmacéutico alemán y astrónomo aficionado Samuel Heinrich Schwabe se le atribuye el descubrimiento del ciclo que Horrebow sospechaba. Inicialmente buscando un planeta dentro de la órbita de Mercurio, Schwabe observó las manchas solares durante 18 años. Publicó sus hallazgos en 1844 en las notas alemanas Astronomical Journal, Schwabe, concluyó que la actividad de manchas solares tenían un ciclo de aproximadamente 10 años. El astrónomo suizo Rudolf Wolf tomó la investigación, la combinación de sus propias observaciones con las de décadas anteriores. Investigación Wolf, publicado en 1861 en Monthly Notices de la Royal Astronomical Society, concluye que el ciclo solar era de 11,1 años.
Casi al mismo tiempo como el estudio de Wolf, el evento solar más famoso de la historia cambió la comprensión humana del sol para siempre.
El 1 de septiembre de 1859, Richard Carrington fue, como siempre, a su observatorio privado en Surrey, Inglaterra, usando un telescopio para recoger la luz del sol y proyectar su imagen en un panel pintado de vidrio, de la que se había registrado las manchas solares. Era un jueves y no del todo medio dia, después de las 11 de la mañana. Carrington había terminado sus dibujos y contaba las manchas solares en la proyección de 28 centímetros de diámetro, cuando, de repente, vio a dos puntos de luz que eran tan brillantes en contra de su pantalla de proyección que primero pensó que un rayo de luz había quemado un agujero en ella. Cuando se dio cuenta que no era el caso, Carrington se apresuró a encontrar a alguien para observar el evento con él. Cuando regresó, los dos puntos blancos se habían desvanecido un poco y, en unos pocos minutos, ya no estaban.
A la mañana siguiente, antes del amanecer, una inmensa nube de partículas cargadas - una eyección de masa coronal - arrasaba lleno de energía el campo magnético de la Tierra.En el norte y el sur las auroras, normalmente sólo visible en las regiones polares, se observaron en lugares tropicales como el Caribe y Hawaii, y el aleteo del campo geomagnético indujo corrientes en los cables telegráficos, como es sabido creando chispas e incluso incendios en las estaciones telegráficas.
Según la NASA, nada como el Evento Carrington ha sido visto desde entonces. Los investigadores que estudian los núcleos de hielo han determinado que la tormenta geomagnética era casi dos veces tan severa como la próxima tormenta más severa de los últimos 500 años.
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