Las explosiones solares dentro de un ordenador

Erupción solar del 10 de junio del 2014

Cuanto más corto sea el intervalo entre  dos explosiones en la atmósfera solar, lo más probable es que el segundo brote será más fuerte que el primero.

ETH Profesor Hans Juergen Herrmann y su equipo han sido capaces de demostrar esto, con el uso de  cálculos en modelos. La cantidad de energía liberada en las llamaradas solares es verdaderamente enorme - de hecho, es millones de veces mayor que la energía producida en las erupciones volcánicas. Explosiones fuertes causan una descarga de masa desde la parte exterior de la atmósfera solar, la corona. Si una eyección de masa coronal golpea la tierra, puede causar una tormenta geomagnética. Las fuertes tormentas pueden interrumpir satélites, el tráfico de radio y plantas eléctricas. Cuando en el otoño de 2003 una de las erupciones solares más fuertes en la historia se registró, hubo un corte de energía en el sur de Suecia y el tráfico aéreo tuvo que ser redirigido y las comunicaciones por encima de las regiones polares se interumpieron.


Científicos del ETH han examinado los procesos que tienen lugar cuando se producen explosiones en la superficie del Sol. Ellos fueron capaces de reconstruir con precisión la distribución de tamaño  y la sucesión temporal de las llamaradas solares con un modelo informático. "El acuerdo con las mediciones de satélites es sorprendente", afirman los investigadores en la revista científica Nature Communications. Hans Herrmann, profesor en el Instituto de Materiales de construcción, revela que el Sol no era en realidad su objeto de atención en absoluto. El físico teórico y experto en física del equipo ha desarrollado un método para examinar los fenómenos de una serie de diversos campos. Patrones similares a los de las erupciones solares también se pueden encontrar en los terremotos, avalanchas o en el mercado de valores.

Descarga intermitente

"Las explosiones solares , por supuesto, no tienen alguna relación con las tasas de cambio de valores", dice Hermann. Sin embargo,  se comportan de una manera similar: pueden entrelazarse hasta que llegan a un cierto valor umbral antes de descargarse. Un sistema, por tanto, no libera de forma continua la masa o energía alimentado en ello,  sólo lo hace en ráfagas, Herrmann explica. Los expertos llaman a esto la criticidad auto-organizada. Un ejemplo de esto es un montón de arena siendo creado por un hilo de granos de arena. La pila sigue creciendo hasta que, de vez en cuando, un alud se desencadena. Deslizamientos de tierra más pequeñas son más frecuentes que las de mayor tamaño. Mediante la organización de en sí mismo alrededor de un caso así es llamado estado crítico, la pila mantiene su altura original cuando se observa durante un período prolongado de tiempo.

En el caso de las erupciones solares, la acumulación de la energía magnética se emite en ráfagas repentinas. El Sol se compone de plasma caliente hecho de electrones e iones. Líneas del campo magnético se extienden desde la superficie solar hasta el fondo en la corona. SE mudan y tuercen en manojos de líneas de campo formando tubos de flujo magnético. Cuando dos tubos se cruzan, se fusionan (los físicos llaman a esto reconexión), causando una explosión que emite grandes cantidades de calor y  radiación electromagnética. El área afectada solar ilumina como una llamarada solar. La radiación se extiende a través de todo el espectro electromagnético, desde las ondas de radio y luz visible a los rayos X y los rayos gamma.

Las observaciones han demostrado que las distribuciones de tamaño de las llamaradas solares "muestran un cierto grado de regularidad, estadísticamente hablando. "Los eventos pueden ser arbitrariamente grande, pero también son arbitrariamente raros", dice Herrmann. En términos matemáticos, se trata de una distribución de la energía libre de escala que sigue una ley de potencias.

Un sistema turbulento

Modelos informáticos convencionales pudieron reconstruir cualitativamente esta distribución de tamaño de estadística, pero no pudieron hacer predicciones cuantitativas. Cualquier modelo de confiar en la intersección de tubos de flujo y, por tanto, sobre la base de la criticidad auto-organizada descuida un hecho importante, Herrmann señala: "el sistema es turbulento". Las líneas de campo magnético en la corona no se mueven en un patrón aleatorio, pero tienen sus raíces en el plasma turbulento de la fotosfera, cuyo comportamiento se describe en términos de la dinámica de fluidos - la ciencia del movimiento de los fluidos y gases. Sin embargo, los cálculos basados ​​únicamente en la turbulencia del plasma también fueron incapaces de reproducir la aparición de las erupciones solares en su totalidad.

Por lo tanto, Herrman y su equipo han combinado criticidad auto-organizada con la dinámica de fluidos y alcanzaron un gran avance. "Hemos sido capaces de reproducir la imagen global de cómo se producen las erupciones solares", dice el investigador. Usando cálculos de una semana de duración en un superordenador, el equipo fue capaz de demostrar que el modelo generado consistentemente dio resultados correctos, incluso al cambiar los detalles tales como el número de tubos de flujo o la energía del plasma. A diferencia de los intentos anteriores de otros investigadores, sus resultados se corresponden con las observaciones en un sentido cuantitativo.

Los científicos llaman a la siguiente conclusión de sus cálculos: "La turbulencia y la interacción entre los tubos de flujo magnético son componentes esenciales que controlan la aparición de las erupciones solares". Demostrando tales correspondencias temporal-energéticos es el primer paso hacia un modelo de predicción. Sin embargo, Herrmann advierte, "nuestras predicciones son estadísticas." En otras palabras, sólo pueden predecir probabilidades, mientras que la predicción de eventos individuales sigue siendo imposible referencia