Manchas en el Sol: ¿Lluvias en la Tierra?

MANCHAS EN EL SOL: ¿LLUVIAS EN LA TIERRA?
Mario Pedreros Avendaño
Departamento de Física - Facultad de Ciencias
Universidad de Tarapacá, Casilla 7-D, Arica
e-mail: mpedrero@uta.cl
Resumen
Se presentan aquí algunos ejemplos de cómo la actividad solar, manifestada a través
del número de manchas solares, viento solar, abundancia de carbono-14 en la atmósfera,
etc., influye en las condiciones climáticas de la tierra, que a su vez se manifiestan por
medio de las variaciones de la temperatura promedio en la superficie terrestre, condiciones
de crecimiento de los árboles, movimiento de glaciares etc.. Puesto que en estos momentos
nos encontramos emergiendo de un período de máximo número de manchas solares, quizás
esta “conexión” pueda explicar la severidad de las inundaciones y condiciones climáticas
que han ocurrido últimamente en la tierra.
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1. INTRODUCCIÓN
El Sol es la estrella más cercana a nosotros y es también nuestra fuente de vida. Así lo
comprendieron nuestros antepasados quienes le rendían culto a este astro sin el cual la vida sería
imposible sobre la tierra.
Dos de los ciclos más conocidos en los que el Sol está involucrado son: (a) el ciclo díanoche, causado por la rotación de la tierra sobre su eje polar, cuya duración es de 24 horas y (b) el
ciclo anual (de 365,2422 días) de las estaciones, causado por la traslación de la tierra sobre su
órbita alrededor del Sol, en combinación con la inclinación de 23,5º del eje polar de la tierra
respecto a la perpendicular al plano de la órbita de la tierra (ver figura 1). Este último ciclo es
responsable de los cambios climáticos estacionales, los que aquí en Chile se distinguen muy
claramente. Muchas veces estos cambios se asocian equivocadamente a variaciones en la distancia
sol-tierra, las cuales siendo menores que un 1% no causan variaciones significativas en la cantidad
de calor recibida en nuestro planeta desde el Sol.
Pero además de estos ciclos tan familiares para nosotros, existen otros que se piensa son
responsables de los cambios climáticos sobre la tierra a más largo plazo. De éstos nos
preocuparemos en lo que sigue de este artículo. Pero primero revisaremos lo que se conoce acerca
de la estructura solar, para comprender mejor los fenómenos que afectan nuestro clima.
Equinoxio de Marzo
Comienza Otoño en
Hemisferio Sur
PN
23,5 0
PS
Solsticio de Diciembre
Comienza Verano en
Hemisferio Sur
Solsticio de Junio
Comienza Invierno en
Hemisferio Sur
Equinoxio de Septiembre
Comienza Primavera en
Hemisferio Sur
FIG. 1. Orbita de la tierra alrededor del sol mostrando puntos de inicio de las estaciones [1].
2. ANATOMÍA DEL SOL
Como lo muestra la figura 2, el sol, como todas las estrellas, es una esfera gaseosa que posee
una estructura bien definida [2], en la que se pueden distinguir claramente las siguientes zonas:
a) Núcleo central: Es donde se genera toda la energía emitida por el sol. Esta se produce por
medio del proceso llamado fusión nuclear, en donde al chocar cuatro núcleos de hidrógeno (o
protones), estos quedan unidos formando un núcleo de helio. En este proceso se desprende
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energía, en forma de rayos gamma, la cual proviene de la transformación de parte de la masa
involucrada en energía a través de la famosa ecuación de Einstein [3].
FIG. 2. Esquema del sol mostrando sus capas interiores y exteriores. Notar que el esquema no está dibujado
a escala
b) Zona interior o de radiación: corresponde a una gran extensión del sol en que la energía
generada en el núcleo se va propagando hacia el exterior, en cierta forma perdiendo poder por
los choques con los átomos que va encontrando en el camino. Esto hace que los rayos gamma
iniciales, que son las ondas electromagnéticas más energéticas que existen, vayan gradualmente
convirtiéndose en rayos X, rayos ultravioleta y luz visible, que es menos energética y que es lo
que finalmente nos llega en gran medida desde el sol. Se calcula que un fotón de luz generado
en el centro del sol demora un millón de años en salir de éste, debido a la inmensa cantidad de
choques que sufre, sin embargo, luego de salir, demora sólo 8 minutos en alcanzar la tierra, a
150 millones de kilómetros de distancia, ya que no encuentra obstáculos en su camino.
c) Zona de convección: una delgada capa del sol en que la energía es transportada en forma de
corrientes de material, que suben y bajan, de la misma forma que ocurre con el agua en una
tetera hirviendo. En esa zona ésta es la forma más eficiente de transporte de energía, dadas las
condiciones físicas en que se encuentra. Hay que hacer notar que TODA la energía que se
genera en el núcleo del sol debe salir de éste, en caso contrario, el sol comenzaría a inflarse
debido al sobrecalentamiento de sus componentes. Las condiciones físicas imperantes en cada
zona encontrarán siempre el método más eficiente para transportar la energía hacia el exterior.
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d) Fotósfera: esta es la zona de donde proviene toda la luz que nos llega del sol y es donde se
producen algunos de los fenómenos que nos van a preocupar más adelante. La temperatura del
gas que forma el sol ha ido decreciendo desde los 15 millones de grados en el núcleo hasta
llegar a unos 6000 grados Celsius en la fotósfera.
e) Cromósfera: Es una delgada capa por encima de la fotósfera en donde se produce una
inversión de la temperatura, es decir ésta comienza a subir nuevamente, hasta alcanzar unos
10000 grados Celsius.
f) Corona: Es la zona más externa del sol, de alta temperatura (1-2 millones de grados) y muy
baja densidad. Esta capa sólo se hace visible durante los eclipses totales de sol, ya que es menos
brillante que el cielo diurno. Debido a que durante un eclipse la luz de la fotósfera es bloqueada
por la luna, el cielo se oscurece y nos deja ver la corona. Esto hace que los eclipses totales de
sol sean de gran interés astrofísico ya que permiten una visión no contaminada de la corona por
unos pocos minutos.
3. EL VIENTO SOLAR
Es de la corona que se desprende el llamado viento solar, como una evaporación del material
solar, ya que a la alta temperatura que se encuentra esta capa, muchos de los átomos que la
componen alcanzan la velocidad de escape y se liberan de la fuerza gravitatoria del sol. Parte de
este viento solar alcanza la tierra provocando efectos en el campo magnético de ésta, los que se
notan en el deterioro de las comunicaciones. Esto es debido a que su composición es principalmente
de iones (átomos cargados eléctricamente) los cuales transportan su propio campo magnético, que
interfiere con el terrestre. La densidad numérica del viento solar al pasar por la tierra es muy baja,
tan sólo unas 5-10 partículas/cm3.
Es este mismo viento solar el que hace que las colas gaseosas de los cometas apunten siempre
en dirección opuesta al sol.
FIG. 3 Manchas solares en la fotósfera del sol. Las manchas de gran tamaño generalmente se dan en
pares de polaridad magnética opuesta [4].
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4. CICLO DE ACTIVIDAD SOLAR
Corresponde a un conjunto de fenómenos visibles en la atmósfera solar y que se producen en
ciclos de máxima y mínima ocurrencia. Entre ellos se encuentran las manchas solares, las
explosiones solares y las prominencias. Las manchas solares (ver figura 3) son pequeñas zonas de
la fotósfera que se ven más oscuras que el resto de esta capa. Fueron observadas por primera vez
por Galileo, unos 300 años atrás, cuando apuntó su pequeño telescopio portátil hacia el sol.
El número de manchas solares varía en ciclos de aproximadamente 11 años (ver figura 4), ciclo
al que también se asocian el resto de los fenómenos que conforman la actividad solar. La menor
luminosidad de las manchas respecto al resto de la fotósfera se explica por el hecho de que la
temperatura del gas dentro de las manchas es menor en aproximadamente 2000 grados con respecto
al resto de la fotósfera. Por otra parte, esta menor temperatura es consecuencia de que el campo
magnético en ellas es una mil veces más grande que en el resto de la fotósfera, hecho que inhibe la
convección del gas en las manchas haciendo más ineficiente el transporte de calor desde las capas
interiores del sol.
Se piensa que el origen de las manchas es el afloramiento del campo magnético del sol desde el
interior hacia la superficie, causado por la rotación diferencial del sol. Esta última consiste en que
las capas cercanas al ecuador solar rotan más rápido que las más cercanas a los polos, haciendo que
el sol no rote como un cuerpo sólido. Esto arrastra las líneas de campo magnético y las deforma
haciendo aparecer “rizos” entre ellas, los que afloran a la superficie.
Asociadas a las manchas también ocurren las explosiones solares, las cuales lanzan grandes
cantidades de material hacia las afueras del sol, formando parte del viento solar y alcanzando a la
tierra, causando las tormentas magnéticas y las auroras boreales y australes (a altas latitudes en la
tierra).
FIG. 4 Número de manchas solares entre los años 1610 y 2000. El eje horizontal (abscisa) corresponde al año
de la observación y el vertical (ordenada) indica el número de manchas observadas. Aproximadamente cada 11
años hay un máximo de manchas, sin embargo este máximo es variable en tamaño. Por ejemplo entre 1645 y
1715 se produjo el llamado Mínimo de Maunder en donde el sol prácticamente no mostró manchas.
5. FENÓMENOS CLIMÁTICOS TERRESTRES Y CICLOS DE ACTIVIDAD SOLAR
Se ha observado que en un máximo de actividad solar (máximo número de manchas solares) el
sol irradia, en promedio, una mayor cantidad de luz (o energía) que en períodos de mínima
actividad, por lo que aquí en la tierra se recibe, en períodos de máxima actividad, un poco más calor
que en períodos de mínima actividad [5]. También, como se explicaba anteriormente, el viento solar
aumenta en períodos de máxima actividad, alcanzando las capas altas de la atmósfera terrestre e
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influyendo sobre el campo magnético de la tierra.
Aunque todavía no está totalmente clara la forma en que ocurre, se piensa que de alguna
manera, estos fenómenos influyen en el comportamiento climático de la tierra, afectando, por
ejemplo, la cantidad de lluvia caída en nuestro planeta a nivel global, así como también la
temperatura superficial promedio de la tierra. En los párrafos que siguen describiremos algunas
observaciones que evidencian este último comportamiento.
La Pequeña Edad del Hielo fue un fenómeno en que el Mar Báltico se congeló en el invierno
de 1422-23, lo mismo sucedía con frecuencia al río Támesis. La parte más fría de la Pequeña Edad
del Hielo coincidió con dos períodos en que el sol no mostró prácticamente manchas, que fueron los
llamados mínimos de Sporer (1400-1510) y de Maunder (1645-1715), ver este último en figura 4.
Es muy probable que estas fluctuaciones del número de manchas solares y de actividad solar, en
general, sean la causa de ese fenómeno climático.
La figura 5 muestra las variaciones (en décimas de grados Celsius) en la temperatura
promedio sobre la superficie de la tierra y su correlación con la variación de la actividad
magnética del sol desde 1860. La actividad magnética del sol puede medirse en función de la
duración (entre 11,5 y 9,5 años) del ciclo de manchas solares, es decir, a mayor duración del ciclo,
menor es la actividad del sol. Se observa que la correlación es asombrosa y establece claramente
que los mínimos de actividad solar, o sea, cuando el ciclo es más largo, causan un enfriamiento del
clima en la tierra.
FIG. 5 Longitud del ciclo de manchas solares en años (eje vertical izquierdo y gráfico de línea sólida) y la
variación, o anomalía, de la temperatura promedio sobre la superficie de la tierra, en grados celsius, (eje
vertical derecho y gráfico de línea punteada) en función del tiempo en años (eje horizontal). Se observa
una asombrosa correlación entre la actividad magnética del sol, representada por la duración del ciclo de
manchas, y la variación de la temperatura [6].
Otra manifestación de la influencia de la actividad solar sobre el clima de la tierra es la
correlación existente entre el grosor de los anillos de los árboles y el ciclo de actividad magnética
del sol, como lo muestra la figura 6. El grosor de los anillos indica mejores condiciones de
crecimiento del árbol en el año respectivo, lo cual entre otras cosas, indicaría abundancia de lluvias
y/o altas temperaturas. Por otro lado, la actividad magnética del sol, aparte de verse reflejada en el
número de manchas solares, también se refleja en la abundancia del isótopo radioactivo del carbono
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FIG. 6 Variación temporal del grosor de los anillos de los árboles (tree ring index) en Sierra Nevada comparado
con la abundancia atmosférica del isótopo radioactivo carbono-14 (Delta 14C) [7]. Notar que la abundancia de
carbono-14 crece hacia abajo. El gráfico demuestra que a menor abundancia de carbono-14 (mayor actividad
magnética del sol) mayor es el grosor de los anillos de los árboles, o sea, mejores condiciones climáticas para el
crecimiento, como por ejemplo: abundancia de lluvias, mayores temperaturas, etc.. El eje horizontal indica la época
de observación en años D.C..
14
C en la atmósfera, el cual es producido por los rayos cósmicos al chocar con esta última. A mayor
actividad magnética del sol mayor es la producción de viento solar. A su vez el viento solar altera el
campo magnético terrestre e impide la llegada normal de rayos cósmicos a la tierra, lo que incide en
una menor producción de 14C. De esta forma una menor abundancia de este elemento en la
atmósfera, en distintas épocas, indica una mayor actividad solar. Conviene aclarar aquí que el
carbono-14 se incorpora al material orgánico (como, por ejemplo, los propios anillos de los árboles)
en las distintas épocas, lo que permite un seguimiento de su abundancia en el tiempo. Existe toda
una disciplina que estudia las condiciones climáticas en la tierra en función del estudio de los
anillos, la que se denomina dendrocronología.
Aparte de los anteriores, existen otros ejemplos de la conexión actividad magnética solar
versus condiciones climáticas en la tierra, como el movimiento de glaciares, épocas de sequías,
abundancia de cosechas, etc..
Durante el año 2002, estábamos todavía muy cerca de un máximo de actividad solar,
evidenciado por el número de manchas observadas en el sol. Este fenómeno ya parece haber
ocurrido, en el año 2001. Por otra parte, es curioso el hecho de haber estado invadidos, en los
últimos años, por noticias de severas inundaciones en diversas partes del mundo, incluyendo a
nuestro país. ¿No será ésta una muestra más de la influencia de la actividad magnética del sol sobre
el clima de la tierra?. Un tema como para pensarlo.
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REFERENCIAS
[1] Pedreros, M. Apuntes del curso Introducción a la Astronomía, Universidad de Tarapacá
(1998).
[2] Ruz, L. "La Física Solar", Publicaciones del Departamento de Física, Universidad de
Tarapacá, 6, 17 (1989).
[3] Pedreros, M. "Las Estrellas También Mueren... y Vuelven a Nacer", Publicaciones del
Departamento de Física, Universidad de Tarapacá, 11, 1 (1994).
[4] Chaisson & McMillan “Astronomy Today” (Ed: Prentice-Hall, Inc. 1998)
Páginas Web:
[5] B. Geerts and E. Linacre “Sunspots and Climate”
http://www.das.uwyo.edu/~geerts/cwx/notes/chap02/sunspots.html
[6] “Geology 150: Climate Change”,
http://earth.usc.edu/~geol150/evolution/lastmillenia.html
[7] “Solar Variability and Climate Changes”
http://www.geo.arizona.edu/palynology/geos462/20climsolar.html
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