¿Qué pasa con el Sol?

Axxon
17/06/10

Las manchas solares van y vienen, pero desde hace poco se fueron del todo. Durante siglos los astrónomos han registrado la emergencia de estas manchas oscuras en la superficie del Sol, que desaparecen después de unos días, semanas o meses. Gracias a sus esfuerzos, sabemos que las manchas solares fluyen y retroceden en ciclos que duran unos once años.

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Sin embargo, durante los últimos dos años las manchas solares han desaparecido. Su ausencia, la más prolongada en casi cien años, ha tomado incluso a los observadores experimentados por sorpresa. “Este es un comportamiento solar que no hemos visto en nuestra vida”, dice David Hathaway, un físico del Marshall Space Flight Center de la NASA en Huntsville, Alabama.

El Sol está bajo escrutinio como nunca antes, gracias a un batallón de telescopios espaciales. Los resultados que aportan están colocando bajo una nueva luz a nuestra estrella más cercana y a su influencia sobre la Tierra. Las manchas solares y otros signos indican que la actividad magnética del Sol está disminuyendo, y que el astro incluso puede estar encogiéndose. En conjunto los resultados indican que algo importante está pasando en el interior del Sol. La gran pregunta es qué.

Las apuestas nunca han sido tan altas. Los grupos de manchas solares avisan sobre las gigantescas tormentas solares que pueden liberar un millón de veces más energía que una bomba atómica. Los temores de que estas grandes erupciones solares puedan provocar el caos en la Tierra y las disputas acerca del papel del Sol en el cambio climático, añaden urgencia a estos estudios. Cuando la NASA y la Agencia Espacial Europea pusieron en marcha el Observatorio Solar y Heliosférico (SOHO) hace 15 años, “entender los ciclos solares no era uno de sus objetivos científicos”, confiesa Bernhard Fleck, científico del proyecto. “Ahora es una de las preguntas clave”.

El Sol se porta mal

Las manchas solares son ventanas al corazón magnético del Sol. Se forman cuando bucles gigantes de magnetismo, generados en la profundidad, irrumpen en la superficie, produciendo una caída localizada de la temperatura que vemos como una mancha oscura. Cualquier cambio en el número de manchas solares refleja cambios dentro del Sol. “Durante esta transición, el Sol nos permite mirar en su interior”, dice Hathaway.

Cuando las manchas solares disminuyen al final de cada período de 11 años, las tormentas solares se apagan y todo se vuelve mucho más calmo. Este “mínimo solar” no dura mucho tiempo. En un año, las manchas y las tormentas comienzan a construir un nuevo crescendo, el próximo “máximo solar”.

Lo que es especial respecto a este último descenso es que el Sol tiene problemas para iniciar el próximo ciclo. Su actividad empezó a disminuir a fines de 2007, por lo que nadie esperaba muchas manchas en 2008. Pero los modelos informáticos predijeron que, cuando las manchas volvieran, lo harían con vigor. Hathaway pensaba que el próximo ciclo solar podía ser extraordinario: más manchas solares, más tormentas solares y más energía lanzada al espacio. Otros predijeron que sería el ciclo solar más activo de la historia. El problema fue que nadie le avisó al Sol.

El primer signo de que la predicción era errónea llegó cuando 2008 resultó ser más tranquilo que lo esperado. Ese año el Sol estuvo libre de manchas durante el 73% del tiempo, un descenso extremo aún para un mínimo solar. Sólo el mínimo de 1913 fue inferior, con un 85% del año en calma.

Cuando llegó 2009, los físicos solares buscaron algo de acción. No la encontraron. El Sol continuó languideciendo hasta mediados de diciembre, cuando apareció el grupo de manchas más grande en años. ¿Finalmente un retorno a lo normal? En realidad, no.

Incluso con el ciclo solar en marcha de nuevo, el número de manchas estuvo muy por debajo de las expectativas. Algo parece haber cambiado en el interior del Sol, algo que los modelos no pudieron predecir. Pero ¿qué?

El flujo de observaciones de los telescopios espaciales y terrestres sugiere que la respuesta se encuentra en el comportamiento de dos grandes cintas transportadoras de gas que reciclan los materiales y el magnetismo a través del interior del Sol y de toda la superficie. En promedio, a la cinta le toma 40 años completar el circuito (ver diagrama).

Cuando el equipo de Hathaway estudió las observaciones para descubrir en qué se habían equivocado los modelos, notaron que el flujo de la cinta transportadora de gas a través del Sol ha estado acelerándose desde 2004.

La circulación profunda dentro del Sol cuenta una historia diferente. Rachel Howe y Frank Hill, del Observatorio Solar Nacional de Tucson, Arizona, usaron observaciones de las perturbaciones de superficie causadas por el equivalente solar de las ondas sísmicas para inferir cuáles son las condiciones en el interior del Sol. Analizando los datos desde 2009 llegaron a la conclusión de que, mientras las corrientes de superficie se habían acelerado, las internas habían disminuido su velocidad hasta casi arrastrarse.

Estos hallazgos produjeron un caos en los mejores modelos informáticos del Sol. “Sin duda, es un reto para nuestras teorías”, dice Hathaway, “pero en cierto modo es bueno”.

No sólo nuestro conocimiento del Sol se beneficia con este trabajo. Hasta qué punto los cambios en la actividad solar pueden afectar nuestro clima es un dato de la mayor importancia. También es un tema muy controvertido. Hay quienes tratan de demostrar que la variabilidad solar es la causa principal del cambio climático, una idea que libraría de culpas a los seres humanos y al efecto invernadero de sus gases. Otros son igualmente evangélicos en sus afirmaciones de que el papel del Sol sobre el cambio climático es minúsculo.

Si este conflicto se pudiera resolver con un experimento, la estrategia obvia sería ver qué pasa al detener una de las causas potenciales de cambio climático, dejando que actúe solamente la otra. El extenso colapso de la actividad solar estos últimos dos años podría ser precisamente ese tipo de prueba, porque ha cambiado significativamente la cantidad de radiación solar que bombardea nuestro planeta. “Como experimento natural, es lo mejor que nos puede pasar”, dice Joanna Haigh, climatóloga del Colegio Imperial de Londres. “Ahora tenemos que ver cómo responde la Tierra”.

El enlace climático

Mike Lockwood, de la Universidad de Reading, Reino Unido, puede haber identificado una respuesta: el invierno europeo inusualmente frío de 2009/2010. Ha estudiado los registros de datos que se remontan hasta 1650 y ha encontrado que los inviernos europeos severos son más probables durante los períodos de baja actividad solar. Esto se ajusta a un cuadro de situación en el que la actividad solar originaría pequeños cambios climáticos globales con grandes efectos regionales.

Otro ejemplo es el mínimo de Maunder, el período entre 1645 y 1715 durante el cual las manchas solares virtualmente desaparecieron y la actividad del Sol se desplomó. Si un hechizo similar de inactividad está empezando a hacer efecto ahora y se extiende hasta el 2100, mitigará 0,3ºC en promedio cualquier aumento de la temperatura producido por el calentamiento global, según los cálculos de Georg Feulner y Stefan Rahmstorf del Potsdam Institute for Climate Impact Research de Alemania. Sin embargo, algo amplificó el impacto del mínimo de Maunder en el norte de Europa, iniciando un período conocido como Pequeña Edad del Hielo, durante el cual prevalecieron los inviernos más fríos y la temperatura promedio de Europa bajó entre 1 y 2 ºC.

Un correspondiente aumento de la temperatura parece asociarse con los picos de emisiones solares. En 2008 Judith Lean, del Laboratorio de Investigación Naval de Washigton DC, publicó un estudio que mostraba que la actividad solar tenía una influencia desproporcionada con aumento de las temperaturas en el norte de Europa.

Entonces ¿por qué la actividad solar produce estos efectos? Los aeromodelistas pueden tener la respuesta. Desde 2003 los instrumentos espaciales han estado midiendo la intensidad de la salida del Sol en varias longitudes de onda y buscando correlaciones con la actividad solar. El resultado apunta a las emisiones de luz ultravioleta. “La luz ultravioleta varía mucho, mucho más de lo que esperábamos”, dice Lockwood.

La luz ultravioleta está fuertemente relacionada con la actividad solar: las erupciones solares brillan intensamente en las longitudes de onda de los rayos ultravioleta, y esto ayuda a transportar su explosiva energía a través del espacio. Podría ser especialmente importante para el clima de la Tierra porque la luz ultravioleta es absorbida por la capa de ozono de la estratosfera, la región de la atmósfera que se sitúa directamente encima de la troposfera que origina el tiempo.

Si llega más luz ultravioleta a la estratosfera aumenta la cantidad de ozono. Y más ozono lleva a la estratosfera a absorber más luz ultravioleta. Así que, en tiempos de gran actividad solar, la estratosfera se calienta y esto influye sobre los vientos de esa capa. “La entrada de calor en la estratosfera es mucho más variable que lo que pensábamos”, dice Lockwood.

El refuerzo de calor de la estratosfera podría estar detrás de los efectos intensificados que sufre Europa por los cambios en la actividad solar. Ya en 1996 Haigh demostró que la temperatura de la estratosfera induce el pasaje de la corriente en chorro, el río de aire que pasa a gran altura de oeste a este a través de Europa.

El último estudio de Lockwood muestra que cuando la actividad solar es baja, la corriente en chorro está obligada a romperse en gigantescos meandros que bloquean los vientos cálidos del oeste y no los dejan llegar a Europa, permitiendo que los vientos del Ártico de Siberia dominen el clima.

La lección para la investigación climática es clara. “Hay tantas estaciones meteorológicas en Europa que, si no tenemos cuidado, estos efectos solares podrían influir sobre nuestros promedios globales”, afirma Lockwood. En otras palabras, nuestra comprensión del cambio climático global podría estar sesgada por no tener en cuenta los efectos de la actividad solar en el clima de Europa.

Así como un misterio empieza a aclararse, otro está llamando la atención. Desde su lanzamiento hace 15 años la nave espacial SOHO ha registrado dos mínimos solares, un ciclo solar completo, y dos ciclos parciales, el que terminó en 1996, y el que está surgiendo ahora. Uno de sus instrumentos, VIRGO, ha estado midiendo la irradiación solar total (TSI), la energía emitida por el Sol. Sus mediciones pueden ser añadidas a los resultados de misiones anteriores para formar un registro de 30 años de la producción de energía solar. Este muestra que durante el último mínimo solar la potencia del Sol fue un 0.015% más baja que durante el mínimo anterior. No parece mucho, pero es un resultado altamente significativo.

Solíamos pensar que la salida del Sol era inquebrantable. Este punto de vista comenzó a cambiar tras el lanzamiento en 1980 de la Misión Solar Maximum de la NASA. Sus observaciones demuestran que la cantidad de energía del Sol varía alrededor del 0.1% en un período de días o semanas a lo largo de un ciclo solar.

El campo magnético del Sol se genera en el límite entre la zona de convección y la zona radiactiva, conocida como tachoclina. Cintas de gas fluyen lentamente desde el ecuador a los polos, barriendo los debilitados campos magnéticos de las manchas solares cuando éstas desaparecen. Esto actúa como semilla para la siguiente generación de manchas, que aparecen donde los rulos en el campo magnético perforan la capa externa del Sol.



La estrella que se encoge

A pesar de esta variación, el TSI había descendido al mismo nivel durante los tres mínimos solares anteriores. No ocurrió lo mismo con este último mínimo alargado. Aunque el descenso observado es pequeño, el hecho de que haya ocurrido no tiene precedentes. “Esta es la primera vez que hemos medido una tendencia a largo plazo en la irradiación solar total”, dice Claus Frölich, el investigador principal del instrumento VIRGO del World Radiation Centre de Davos, Suiza.

Si la energía del Sol está cambiando, su temperatura debe estar fluctuando también. Mientras que las erupciones solares pueden calentar el gas de la superficie, los cambios en el núcleo del Sol tendrían mayor influencia sobre la temperatura, aunque los cálculos muestran que pueden pasar cientos de miles de años hasta que los efectos se infiltren en la superficie. Cualquiera que sea el mecanismo, cuanto más fría es la superficie, menos energía hay para “inflar” al Sol. El resultado de cualquier caída en la potencia del Sol es que éste se reduce también.

Las observaciones sugieren que es así, aunque todavía no debemos temer una catástrofe como la que se muestra en la película Sunshine. Ya en el siglo XVII el astrónomo francés Jean Picard midió el diámetro del Sol. Realizó sus observaciones durante el mínimo de Maunder y obtuvo un resultado mayor que las medidas modernas. ¿Se trata simplemente de un error de Picard o el Sol realmente se ha achicado desde esa época? “Hubo mucha discusión, pero el problema todavía no se ha resuelto”, dice Gérard Thuillier, de la Universidad Pierre y Marie Curie de París, Francia.

Las observaciones con telescopios terrestres no son lo suficientemente precisas como para resolver la cuestión, debido a los efectos distorsionantes de la atmósfera. Así que la Agencia Espacial francesa ha diseñado una misión, llamada acertadamente Picard, para tomar mediciones precisas del diámetro solar y observar los cambios.

De modo frustrante, el lanzamiento del cohete ruso Dnepr está en medio de un desacuerdo político entre Rusia y la vecina Kasajistán. Hasta que se resuelva esta disputa, el cohete debe esperar. Cada día de retraso representa la pérdida de datos valiosos mientras el Sol se encamina, aunque sea con pasos vacilantes, hacia el próximo ciclo de actividad. “Necesitamos ponerlo en marcha ahora”, dice Thuillier.

Lo que va a pasar con el Sol está más allá de nuestra capacidad de predicción. La mayoría de los astrónomos piensa que el ciclo solar seguirá su curso, pero con niveles de actividad significativamente bajos, similares a los que se vieron por última vez en el siglo XIX. Sin embargo, hay evidencias de que el Sol está perdiendo inexorablemente su capacidad de producir manchas solares. Para 2015 podrían haber desaparecido por completo, sumiéndonos en un nuevo mínimo de Maunder, y, quizás, una nueva Pequeña Edad del Hielo.

Por supuesto la actividad solar es sólo una de las fuentes naturales de variabilidad climática. Las erupciones volcánicas, que arrojan gas y polvo a la atmósfera, son otra. No obstante, sigue siendo crucial entender los cambios precisos del Sol y la forma en la que éstos influyen en los distintos patrones regionales climáticos de la Tierra. Los científicos del clima serán capaces de corregir estos efectos, interpretando las mediciones modernas e intentando reconstruir el clima de las centurias pasadas. Sólo haciendo esto podemos llegar a un consenso acerca del verdadero grado de influencia que tiene el Sol sobre la Tierra y su clima.

El pronóstico de las manchas solares

Aunque las manchas solares están haciendo una reaparición tardía después del prolongado mínimo solar, hay signos de que no todo está bien. Durante décadas, William Livingston, del Observatorio Solar Nacional de Tucson, Arizona, ha estado midiendo la fuerza de los campos magnéticos que perforan la superficie del Sol y producen las manchas solares. El año pasado, él y su colega Matt Penn señalaron que el promedio de fuerza de los campos magnéticos de las manchas solares ha ido descendiendo drámaticamente desde 1995.

Si esta tendencia continúa, en tan sólo 5 años el campo habrá caído por debajo del umbral necesario para formar las manchas.

¿Qué probabilidades hay de que esto suceda? Mike Lockwood, de la Universidad de Reading, Reino Unido, ha rastreado los datos históricos para buscar períodos similares de inactividad solar, que aparecen como incrementos en la producción de ciertos isótopos en los núcleos de hielo y en los anillos de los árboles. Encontró 24 casos en los últimos miles de años. En dos de estas ocasiones, las manchas solares desaparecieron durante décadas. Lockwood piensa que la probabilidad de que esto suceda ahora es del 8%.

Sólo en una ocasión el número de manchas hizo un efecto rebote y marcó niveles récord. En la mayoría de los casos, el Sol siguió produciendo manchas a niveles significativamente más bajos. Parece que la época de bonanza de las manchas solares del siglo pasado ha llegado a su fin.