http://cdn.cnet.com.au/story_media/339341452/cme_fullsize.jpg
EL SOL Y EL FIN DEL MUNDO SANTIAGO VARGAS DOMÍNGUEZ
El Sol y el fin del mundo Santiago Vargas Domínguez Ph.D. Investigador postdoctoral del Departamento de Física de la Universidad de los Andes, s.vargas54@uniandes.edu.co. Varios siglos atrás, mientras contemplaban a Kinich Ahau, Señor del rostro solar y Dios del Sol en la mitología maya, esta extraordinaria cultura de nuestra América precolombina jamás se hubiera imaginado el revuelo que causaría una de sus principales deidades en pleno siglo XXI. Y es que algunos en la actualidad postulan un escenario de fin del mundo según el cual el 21 de diciembre de este año la Tierra estará recibiendo el impacto de una tremenda tormenta solar que aniquilará nuestra civilización y el mundo como lo conocemos. El Sol sin duda ha regido nuestras vidas desde el comienzo de nuestra historia como civilización o, incluso desde antes, desde el mismo nacimiento de la Tierra y los demás planetas de nuestro Sistema Solar. En la etapa más joven de nuestra estrella, hace unos 4.650 millones de años, la misma Tierra, antes de ser formada, y los demás cuerpos del Sistema Solar giraban como un enorme disco caliente alrededor del Sol. Este disco protoplanetario se fue enfriando y dio lugar a los planetas en las zonas donde se comenzó a agrupar la materia que siguió enfriándose más y más. Millones de años más tarde las condiciones fueron mejorando y el planeta favoreció el desarrollo de la vida. El destino de la Tierra seguramente está ligado al del Sol, y así como de él dependió el surgimiento de nuestro planeta, también será el responsable de su destrucción, pero eso no lo veremos hasta el final de esta historia. Remontémonos una vez más al pasado, pero esta vez a Italia, a los tiempos del gran Galileo Galilei, a principios del siglo XVII. Pocos años después de la invención del telescopio, Galieo hacía las primeras observaciones solares utilizando este maravilloso invento, cuyo potencial era difícil de imaginar. Galileo proyectó la imagen del Sol a través del telescopio y pudo apreciar unas cicatrices oscuras sobre su superficie. Estaba observando las llamadas manchas solares, que, se pensaba, podían ser planetas girando alrededor del Sol en órbitas muy cercanas a la estrella. El descubrimiento de las manchas solares tuvo, además, grandes implicaciones para el pensamiento de la época, no solo científico, sino también religioso, pues mostró la imperfección de los cielos y del Sol, que se consideraba divino y, por lo tanto, perfecto. En la época de Galileo aún restaban dos siglos para la invención de la fotografía y se requería de un dispendioso trabajo para dibujar las imágenes registradas por los mismos astrónomos o con los primeros instrumentos ópticos. Hoy se conservan algunos de los detallados dibujos de Galileo donde se aprecia la evolución en el tiempo de las manchas solares sobre la superficie del Sol. Aunque aparentemente estático y con poca actividad, Galileo ya sabía que el Sol era un objeto en movimiento y con estructuras muy dinámicas, y así descubrió la rotación del astro. Cuatro siglos después de los hallazgos de Galileo, las manchas solares siguen siendo objeto de estudio y se sabe que de ellas depende gran parte de la actividad solar, de la cual dependen, a su vez, las condiciones del medio interplanetario conocidas como clima espacial. Hoy se sabe que el Sol está compuesto por plasma a altísima temperatura, aproximadamente 6000 Kelvin en su superficie y hasta 15 millones de Kelvin en el interior, y que las manchas solares son producto del campo magnético que se forma en el interior y que emerge a la superficie solar, llamada fotosfera, interactuando con el plasma incandescente. Las líneas de campo magnético que se generan en su interior están en constante evolución, en gran parte porque el Sol rota más rápido en el Ecuador que en los polos. Esta llamada rotación diferencial estira y tuerce las líneas de campo y, eventualmente, genera inestabilidades que terminan emergiendo a la superficie formando las famosas manchas solares o regiones activas. 74 Hipótesis, Apuntes científicos uniandinos, núm. 13, noviembre del 2012
El Sol es, entonces, como un inmenso imán con sus polos norte y sur; sin embargo, cada 11 años, aproximadamente, ocurre algo inesperado: se invierte su polaridad y los polos magnéticos solares. Precisamente estos 11 años enmarcan lo que se conoce como el ciclo solar, descubierto en 1843 por Samuel Heinrich Schwabe, quien, después de 17 años de observaciones, notó una variación periódica en el número promedio de manchas durante cada año. Durante el ciclo solar también se presentan variaciones en la cantidad de radiación que llega a la Tierra y en la actividad solar, donde hay periodos de poca actividad mínimos solares y de máxima actividad máximos solares. Cuando ocurre el mínimo solar las manchas solares desaparecen casi por completo de la superficie del Sol mientras que en los periodos de máxima actividad hay gran cantidad de manchas. En la actualidad el Sol se encuentra en su ciclo 24, siendo el primer ciclo el que va de 1755 a 1766. Cuando el campo magnético solar cambia su configuración durante los ciclos solares, se libera energía de forma rápida y violenta en lo que se conoce como eyecciones de masa coronal. Durante estas explosiones el Sol lanza miles de toneladas de gas y partículas cargadas al medio interplanetario. Si esa ráfaga está dirigida a la Tierra, entonces se trata de una tormenta solar que genera una tormenta geomagnética una vez choca contra nuestro planeta. Si no fuera por el campo magnético terrestre, la magnetósfera, que hace las veces de un escudo natural que nos protege, nos veríamos seriamente afectados por la radiación proveniente del Sol. Sin embargo, parte de esas partículas cargadas penetran a la atmósfera en las zonas polares, que son las zonas más sensibles del escudo terrestre y en donde confluyen las líneas de campo magnético, produciendo fenómenos tan asombrosos como las auroras. Figura 1. Erupción solar del 31 de agosto de 2012, registrada por los telescopios espaciales SOHO (paneles superiores y centrales) y SDO (paneles inferiores). El material es lanzado millones de kilómetros hacia el espacio interplanetario. Fuente: NASA. Existen también otros efectos que pueden generar las gigantescas explosiones solares que liberan extraordinarias cantidades de energía e impactan a nuestro planeta. En marzo de 1989, unos seis millones de personas en Canadá y Estados Unidos se quedaron sin electricidad después de que una enorme explosión en el Sol afectó una central hidroeléctrica en Quebec al quemar una gran cantidad de transformadores eléctricos. Así mismo, satélites de comunicaciones, aviones y muchos otros instrumentos podrían ser afectados por el bombardeo de partículas energéticas solares, que podría dañar los pequeñísimos circuitos integrados Universidad de los Andes, Facultad de Ciencias 75
Figura 2. Imagen de la superficie solar y las capas más altas (cromosfera y corona), donde se aprecian los lazos de campo magnético, visibles gracias al plasma caliente y brillante atrapado en ellos. Fuentes: SDO (NASA) y el consorcio AIA. que son los más expuestos a perturbaciones producidas por el efecto de las radiaciones de alta energía. Incluso a la hora de planear futuras misiones espaciales hay que tener en cuenta los efectos de la radiación que no solo afectan la instrumentación sino también a los propios astronautas. La mayor tormenta solar registrada hasta la fecha ocurrió en 1859 y es conocida como la tormenta perfecta o tormenta Carrington, por el nombre del científico que la detectó. En esa época las consecuencias se vieron en daños en el sistema de telégrafos de Estados Unidos, que tenía 15 años de haber sido inventado y en la observación de auroras en latitudes muy bajas, como la Florida e incluso Cuba. Otras tormentas han afectado sistemas desde servicios móviles y señales de TV hasta sistemas de navegación GPS. Uno de los mayores retos científicos radica en entender y predecir con exactitud el ciclo solar y el efecto de los cambios en la actividad solar sobre el clima en la Tierra, pues hay pruebas que mostrarían una intrincada dependencia. El hecho más famoso lo constituye un periodo de 70 años (1645-1715) en que, conforme a los registros, prácticamente no aparecieron manchas sobre la superficie del Sol; se le suele denominar mínimo de Maunder. Otro período de escasez de manchas tiene el nombre de mínimo de Dalton (1795-1825). Estos intervalos coincidieron con la parte dominante de un período de intenso frío en Europa conocido como la Pequeña Edad de Hielo (1450-1850). Recuadro 1: Cómo funciona el Sol? En el núcleo se producen las reacciones de fusión nuclear que convierten cuatro núcleos de hidrógeno, el elemento más ligero y abundante en el Universo, en un núcleo de helio, unas 600 millones de toneladas cada segundo. La fusión conlleva también una pérdida de masa que se transforma en energía según la famosa ecuación de Einstein E = mc 2, donde c es la velocidad de la luz. De aquí que una pequeña cantidad de masa pueda liberar enormes cantidades de energía. En el caso del Sol, la pérdida de masa es aproximadamente de cuatro millones de toneladas por segundo. El proceso que ocurre en el núcleo es comparable a la explosión controlada de millones de millones de bombas de hidrógeno que estallan ininterrumpidamente. 76 Hipótesis, Apuntes científicos uniandinos, núm. 13, noviembre del 2012
El anterior ciclo solar, el número 23, que se inició en 1996, fue también anormal y se extendió por un par de años más de lo habitual. A partir de 2009 el Sol despierta de su letargo y las manchas solares comienzan a aparecer nuevamente sobre su superficie, lo que marca el comienzo del ciclo 24. El próximo máximo solar se prevé que ocurra a mediados del 2013 y será el momento en que se espera la mayor cantidad de erupciones solares. Sin embargo el ciclo solar 24 está siendo bastante débil comparado con el comportamiento habitual de los ciclos anteriormente registrados, y el número de manchas posiblemente no supere las 90, a diferencia de otros ciclos en los que ha llegado hasta 250. Se ha dicho que el magnetismo es el responsable de la mayoría de eventos que ocurren en el Sol y que de estos eventos depende el clima espacial, es decir, el conjunto de fenómenos e interacciones que tienen lugar en el medio interplanetario y que están regulados fundamentalmente por la actividad solar. Recordemos que el Sol constituye casi el 99% de la masa de todo el Sistema Figura 3. Primera imagen tomada por el Observatorio Dinámico Solar (SDO) del disco solar con longitudes de onda en el ultravioleta extremo, tomada el 30 de marzo de 2010. Los diferentes colores representan diferentes temperaturas del gas.a En rojo temperaturas relativamente frías de unos 60.000 Kelvin, y en azul y verde temperaturas más calientes superiores al millón de Kelvin. Arriba a la izquierda una protuberancia solar, cuyo material es suspendido por el campo magnético de la estrella a miles de kilómetros por encima de la superficie. Fuentes: SDO (NASA) y el consorcio AIA. Universidad de los Andes, Facultad de Ciencias 77
Año 1600 1650 1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000 0 50 100 150 200 250 300 Número de manchas solares Figura 4. Registro del número de manchas solares en la superficie del Sol en los últimos 400 años, asociadas con los ciclos de actividad. El mínimo de Maunder, que corresponde a la casi total desaparición de las manchas solares durante 70 años, coincide con una época de intenso frío en la Tierra conocida como La Pequeña Edad de Hielo. Fuente: Global Warming Art Project. Año Enero 2000 Mínimo de Maunder Mínimo de Dalton Máximo moderno 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 Enero 2019 0 25 50 75 100 125 150 175 Número de manchas solares Valores mensuales suavizados Valores mensuales Predicción Figura 5. Registro de manchas solares observadas en el Sol desde enero de 2000. Se observa el comienzo del actual ciclo solar 24. La linea roja muestra la predicción del comportamiento del este ciclo en el cual no se espera mucha actividad comparado con ciclos anteriores. Fuente NASA. Solar y que por ello su papel es determinante en nuestra vecindad cósmica y, directamente, sobre la Tierra. Por estas razones, los científicos continúan explorando la compleja actividad solar con el ánimo de entender y poder predecir el comportamiento del Sol. En la actualidad contamos con sofisticados telescopios e instrumentos, muchos de los cuales observan al Sol minuto a minuto desde el espacio, en satélites que orbitan la Tierra. Hoy disponemos de imágenes espectaculares de nuestra estrella y podemos evidenciar su intrincada estructura y gran cantidad de fenómenos explosivos. Con telescopios espaciales como el Observatorio de Relaciones Solar-Terrestres (STEREO), que consta de dos telescopios, uno ubicado en una posición avanzada en la órbita terrestre y el otro en un punto retrasado, podemos observar al Sol de forma estereoscópica desde diferentes ángulos; por ejemplo, vemos la cara oculta del Sol varios días antes de poder observarla desde la Tierra. Recientemente una nueva misión de la NASA lanzó al espacio un nuevo telescopio, el Observatorio Dinámico Solar, que comenzó a enviar imágenes solares con una calidad 10 veces superior a la de un televisor de alta resolución, unos 1,5 terabytes de datos cada día, equivalente a medio millón de canciones en nuestro reproductor de mp3. Novedosas técnicas que utilizan datos provenientes de estas misiones nos permiten incluso poder estudiar el interior del Sol a través de las oscilaciones que se producen en su superficie, generadas por ondas de presión que viajan desde el interior lo que se conoce como heliosismología. El estudio del Sol vive una época dorada, dada la gran cantidad de misiones en curso y las planeadas para los próximos años, entre ellas la misión Solar Orbiter, cuyo objetivo es lanzar en el 2017 un satélite que viajará con un telescopio a una distancia del Sol más cercana que la distancia a la que orbita el planeta Mercurio. Todo esto con el fin de escudriñar los misterios de nuesto astro. Recuadro 2: El largo viaje de los fotones El tamaño del Sol es comparable al volumen ocupado por un millón de Tierras, y se encuentra a una distancia de 150 millones de kilómetros, lo cual hace que la luz que recibimos en la Tierra sea la que ha abandonado el astro unos ocho minutos antes. Pero antes de salir del Sol los fotones (partículas portadoras de la radiación electromagnética) han tenido que viajar varios miles de años desde el interior hasta su superficie debido a la gran densidad presente en el interior solar. El Sol ha regido nuestras vidas desde el comienzo de la historia humana y de su existencia depende la vida en la Tierra. Ha pasado de ser fuente de adoración a objeto de estudio. Pero llegará un día en que el Sol agote todo su combustible, expandiéndose y convirtiéndose en una estrella gigante roja, cuyo tamaño será tan grande que absorberá a la Tierra. El destino final 78 Hipótesis, Apuntes científicos uniandinos, núm. 13, noviembre del 2012
del Sol será transformarse en una enana blanca y finalmente en una enana negra, cuando se enfríe completamente. Aún quedan unos cinco mil millones de años para que esto suceda, pero por el momento deberemos prepararnos para que durante cada máximo de actividad solar podamos proteger la tecnología de la cual hoy depende nuestra civilización. No hay que ser catastróficos, pero sí hay que tener en cuenta que una tormenta solar perfecta, como la de 1859, podría tener consecuencias sobre la tecnología satelital, las comunicaciones, las redes de distribución eléctrica y otros, lo que generaría pérdidas millonarias. En la mañana del 22 de diciembre, la predicción del fin del mundo entrará a formar parte del listado de más de 150 predicciones anteriores y el Sol dominará el cielo para que podamos seguir contemplándolo como lo hacemos desde el comienzo de nuestra historia. Referencias [1] lockwood M. Solar change and climate: an update in the light of the current exceptional solar mínimum. Proceedings of the Royal Society 2010; 466(2114): 303-329. [2] low BC. Solar activity and the Corona. Solar Physics 1996; 167(1-2): 217-265. [3] north G. Astronomy in depth. London: Springer-Verlag; 2003. [4] whitehouse D. El Sol: una biografía. Madrid: Kalias; 2006. [5] información y Actualidad Astronómica. Revista del Instituto de Astrofísica de Andalucía. Número 20 de octubre 2006 (pp. 3 y 6) y Número 21 de febrero de 2007 (pp. 3-6). Consejo Superior de Investigaciones Científicas, España. [6] solar Dynamic Observatory. http://sdo.gsfc.nasa.gov. Figura 6. Galileo Galilei realizó observaciones solares a comienzos del siglo XVII y pudo detallar la evolución de las manchas solares sobre su superficie; de esta manera descubrió la rotación del Sol. Fuente: Izquierda: http://galileo.rice.edu/images/things/sunspot_drawings/ss623-l.gif. Derecha: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:galileo_by_leoni.jpg. Universidad de los Andes, Facultad de Ciencias 79