Obstinados navegantes en ocanos de incertidumbreEn la inmensidad del espacio y el tiempo surgi un leve suspiro, destinado a desaparecer, pero con pretensiones de eternidad. Nuestra especie, desvalida ante la naturaleza, experiment un destello de comprensin y conocimiento que lo puede hacer posible:la Ciencia y la Tecnologa.

LAS PREOCUPANTES TORMENTAS SOLARESCuando se escribe esto el Sol est despertando de un profundo letargo que ha durado varios aos y en los prximos esperamos ver niveles de actividad ms elevados. El ciclo solar nmero 23 ha terminado y el nmero 24 se encuentra en sus comienzos. Nuestra civilizacin tecnolgica ha generado una vulnerabilidad a la tormentas solares que no tiene precedentes. As, la Academia Nacional de estados Unidos plante el problema hace dos aos en un informe emblemtico titulado Eventos del Clima Espacial Severo. Impactos Econmicos y Sociales. El informe hizo hincapi en que la gente del siglo XXI depende de sistemas de alta tecnologa para llevar a cabo las actividades de la vida cotidiana. Las redes de energa inteligente, la navegacin mediante GPS, la aviacin, los servicios financieros, las comunicaciones por radio, etc, son ejemplo de ello. La Academia advirti que una poderosa tormenta magntica en nuestra estrella, del tipo de las que ocurren un par de veces por siglo, podra causar veinte veces ms dao a nivel mundial que la que caus un huracn de mxima potencia como el Katrina. Gran parte del dao podra ser mitigado si quienes tienen responsabilidad sobre el asunto, supieran que se avecina una tormenta solar. Se podran poner los satlites en modo seguro, se podran desconectar los transformadores para protegerlos de descargas elctricas dainas, etc.

En algunas ocasiones el problema es tan grande que un pas solo no puede manejarlo. ste es el mensaje que los cientficos comunicaban en la reunin de julio de 2010 celebrada en Bremen (Alemania), correspondiente al programa internacional Viviendo con una estrella (ILWS, en ingls), sobre el problema de las tormentas solares, cmo predecirlas y qu hacer para protegernos de sus efectos. Lika Guhathakurta, presidenta del mismo en las oficinas centrales de la NASA dijo: Necesitamos avanzar en este tema antes de que llegue el prximo mximo solar, segn se vaticina alrededor de mayo de 2013. El Sol y la Tierra estn separados 150 millones de kilmetros, una distancia que podra parecer segura. No obstante desde el inicio de la Era Espacial, y especialmente en aos recientes, cada vez se entiende ms que esa distancia no es, en realidad, tan lejana. Las naves espaciales y los observatorios terrestres han mostrado que la Tierra, de hecho, se encuentra localizada en la atmsfera externa del Sol, impactada por vientos solares y golpeada por pedriscas energticas. Adems, se sabe ahora, que ambos cuerpos estn conectados por invisibles hilos de magnetismo. Es posible rastrear lneas de fuerza invisibles desde los polos de la Tierra hasta la superficie del Sol. La Tierra y el Sol estn interconectados. Ya no es posible estudiarlos por separado, dice Lika Guhathakurta.

Predecir la actividad solar es un problema complicado, en cierta manera presenta analogas con la prediccin del tiempo en la Tierra, pero multiplicado en dificultad dada la complicada fsica del plasma solar y magnetismo del Sol. Sin embargo, realizar predicciones sobre el Sol es solo la mitad del problema; la otra mitad es la Tierra. La manera en que el campo magntico y la atmsfera de nuestro planeta responden a una tormenta solar es un rompecabezas magnetohidrodinmico que los expertos luchan por entender, contando, incluso, con la ayuda de los ms potentes superordenadores actuales. Por eso se suele decir que la prediccin del tiempo en el espacio est atrasada 50 aos respecto a la prediccin del tiempo atmosfrico en la Tierra. Necesitamos ms datos y ms teora, dice Guhathakurta. Es como intentar monitorizar el ocano con unas cuantas boyas. Esa es la verdadera situacin en la que nos encontramos respecto al ocano del espacio, dice la cientfica.

Los fotones que se generan en las reacciones nucleares en el centro del Sol son reabsorbidos y emitidos de nuevo, incesantemente, por los tomos que se cruzan en su camino. En 1992 se calcul que un fotn tarda unos 200.000 aos en viajar desde el ncleo a la superficie solar. Esta interaccin entre energa y materia, envuelta en el campo magntico del interior solar es objeto de mltiples ramas cientficas y objeto de modelizacin y simulaciones numricas. Este campo de la astrofsica implica entender como funcionan las corrientes de conveccin y para esto solo se dispone de una teora, que se antoja que no es completa. Los enrevesados campos magnticos en el interior del Sol aaden mucha ms complejidad al sistema. El estudio de la magnetohidrodinmica no tiene ms de 30 aos. Hoy da crear modelos de transporte y emergencia de energa desde el interior solar es solo posible gracias a las redes de superordenadores. Y es precisamente la limitada capacidad de stos para realizar complejos clculos lo que limita el avance. No existe, de hecho, una teora completamente satisfactoria que pueda explicar la generacin de ese flujo magntico. La ms aceptada, la dinamo solar, deja todava muchas cuestiones sin responder.

El estudio del Sol por dentro usando observaciones es extremadamente complicado ya que no lo vemos, no recibimos directamente radiacin del interior de nuestra estrella. Solo a travs de mtodos indirectos es posible estudiar las condiciones del interior solar. Una de las tcnicas que ms resultado ha dado es la Heliosismologa global, en desarrollo desde hace 20 aos. Al igual que la sismologa terrestre, la heliosismologa estudia las vibraciones de la superficie, es decir, los terremotos solares. Algunas de estas ondas viajan por dentro del sol y, por tanto, estudiando el patrn de vibracin podemos deducir las condiciones del interior solar. Todo esto necesita avanzados modelos tericos del interior solar y redes de superordenadores donde poder realizar los clculos.

Partes del Sol

An cuando decimos que hay una superficie en el Sol, esto no quiere decir que sea una superficie real, slida. Es simplemente la zona desde donde se emite la mayor parte de la luz. Por encima de esta regin sigue habiendo mucha materia, pero es mucho ms tenue, lo que consideramos la atmsfera solar. Sabemos que existe porque la podemos ver durante los eclipses totales de Sol. Ocurre el hecho sorprendente de que las distancias a que se encuentran el Sol y la Luna de la Tierra, propician que los tamaos aparentes de ambos discos sean casi coincidentes, por lo que durante un eclipse total de Sol, la Luna oculta el disco solar bloqueando la mayor parte de su luz. Observando con cuidado el borde lunar se pueden distinguir las capas de dicha atmsfera solar. Se ven penachos rojizos, la Cromosfera, y una extensa aura blanca, la Corona solar. Hoy en da la tecnologa permite ver esa capa de la atmsfera solar no solo en el borde del Sol, como en un eclipse, sino en todo el disco solar.

Corona solar

Lo que pronto se descubri es que la atmsfera solar es completamente diferente al interior del Sol. En la superficie del Sol el campo magntico se mueve al comps que le marca el plasma, que lo arrastra consigo. Segn ascendemos por la atmsfera solar es el campo magntico quien empieza a dominar al cada vez ms tenue plasma, obligndole a seguir las lneas del mismo. Este nuevo dominio de los campos magnticos en la atmsfera se extiende hasta varias veces el tamao del mismo Sol, formando la Corona solar. An con la tecnologa espectroscpica es muy difcil ver la Corona, pues la radiacin que emite lo hace en una frecuencia que nuestra atmsfera absorbe. ste es el motivo por el que se han tenido que poner los telescopios solares en el espacio.

Eyeccin de masa coronal

Gracias a esto, en 1971, se descubrieron las eyecciones de masa coronal, uno de los mayores descubrimientos en fsica solar de los ltimos aos. Estas eyecciones expulsan ingentes masas de plasma al espacio, algunas mucho mayores que la misma Tierra (En la impresionante imagen una eyeccin de masa coronal ocurrida el 30 de marzo de 2010, recogida por SDO, Observatorio de Dinmica Solar).Una de las caractersticas observadas en la corona es que se encuentra a mayor temperatura que la superficie del Sol, la fotosfera. ste es uno de los mayores misterios de la astronoma. En el centro del Sol la temperatura alcanza alrededor de los 15 millones de grados y van descendiendo hasta que en la superficie la temperatura se halla en torno a los 5.500 C. Por encima de sta todava sigue bajando hasta llegar a los 4.000 C. Sin embargo, al alcanzar la corona se llegan a temperaturas de varios millones de grados.

Magnetosfera

Cuando la humanidad comenz a enviar sondas y telescopios al espacio aprendimos que el Sol tambin emite un flujo constante de partculas, llamado Viento solar. Este ro de partculas emana del Sol y viaja siguiendo las lneas del campo magntico. El viento solar es una corriente de partculas cargadas expulsadas de la atmsfera superior del Sol (o de una estrella en general). Este viento consiste principalmente de electrones y protones con energas por lo general entre 10 y 100 KeV. El viento solar crea la heliosfera, una burbuja enorme en el medio interestelar que rodea el Sistema Solar. El viento solar no llega a la superficie terrestre ya que el campo magntico de nuestro planeta lo desva, protegindonos con la envoltura de la magnetosfera. sta es varias veces ms grande que la Tierra, mientras que la heliosfera es decenas de miles de veces el tamao del Sol, situando su frontera a 13 horas-luz, 13 horas viajando a la velocidad de la luz.

Heliosfera

Lo que descubrieron estas primeras sondas espaciales constituye otro de los principales hallazgos de la astrofsica: el Clima espacial, es decir, todos aquellos sucesos que nos afectan en la Tierra y tienen su origen en el espacio. Un claro ejemplo lo constituyen las ya mencionadas eyecciones de masa coronal, que crean las fascinantes auroras boreales u australes cuando llegan a nuestra atmsfera, pero que tambin puede afectar muy negativamente a nuestro sistema tecnolgico, sobre todo cuando son de gran envergadura. Toda esta acumulacin de efectos solares los englobamos en el trmino tormenta solar.

La actividad del Sol est relacionada con la aparicin de las manchas solares, que suelen aparecer en grupos. Una mancha suele actuar como polo norte magntico y otra como polo sur, creando entre ellas un fuerte campo magntico (como si hubiese un imn de herradura bajo la superficie del Sol), cuando estas lneas de fuerza magntica son tan intensas que se rompen se produce una eyeccin de masa coronal. Aqu tenemos un diagrama de una erupcin solar:

Esta actividad solar se ajusta a ciclos de 11 aos. Durante esos ciclos el Sol discurre por fases de mxima actividad magntica (mximo solar) o de actividad y brillo mucho menor (mnimo solar). Se sabe que estos ciclos se ajustan a la teora de la dinamo solar, pero deja muchos misterios por explicar. Por ejemplo, por qu este ciclo a veces se interrumpe y permanece en el mnimo durante un largo periodo de tiempo. Esto es lo que ocurri durante una fase de la denominada Pequea edad de hielo, cuando el Sol no sali del mnimo en 70 aos, que se denomina mnimo de Maunder, como se observa en este grfico de ciclos solares:

Desde que comenzaron a registrarse los ciclos solares ya se han sucedido 23 ciclos completos y en 2012 estamos a comienzos del ciclo 24 desde que comezaron aregistrarse. Salimos de un ciclo solar algo anmalo, pues ha ocurrido un hecho que no que no es habitual. Durante los aos 2008 y 2009 las manchas solares prcticamente desaparecieron del Sol, presentndonos una imagen completamente limpia del disco solar, como se aprecia aqu en esta toma del 2 de marzo de 2008:

El Sol sin una mancha, el 2 de marzo de 2008

En 2008 no se presentaron manchas durante 266 das de los 366 que tuvo ese ao. Par encontrar un Sol con ms das sin manchas debemos remontarnos a 1913, cuando se registraron 311 das sin manchas solares. En 2009 tambin tuvimos un Sol bastante limpio, con escasa actividad solar, pues nicamente se registraron 263 das en un ao de 365 das. Por tanto, durante 2008 y 2009 el ciclo solar se sumergi en su ms profundo mnimo en aproximadamente un siglo. A las manchas solares hay que aadir que los destellos solares disminuyeron en gran medida y el Sol estuvo anormalmente tranquilo.

Das sin manchas en el Sol en el ltimo siglo

Paradjicamente esto convirti al espacio en un lugar ms peligroso para viajar. Al disminuir la actividad solar, el calentamiento que producen los rayos ultravioleta sobre la alta atmsfera de la Tierra, estuvo ausente y sta comenz a enfriarse y a encogerse. La basura espacial tuvo menos friccin y dej de caer, acumulndose en mayor cantidad en rbita. Por otra parte, el campo magntico del Sol se debilit, permitiendo de este modo que los energticos rayos csmicos, procedentes del espacio, pudieran penetrar en cantidad record en el Sistema Solar. Solamente cuatro ciclos solares han comenzado de un modo ms lento que el actual desde que comenz el registro histrico.

Banda transportadora en el Sol

Los fsicos solares han reconocido durante varios aos la importancia de la Gran Banda Transportadora del Sol: Un amplio sistema de corrientes de plasma, llamados flujos meridionales (similares a las corrientes ocenicas en la Tierra), que se desplaza a lo largo de la superficie del Sol, se sumerge cerca de los polos y vuelve a salir en las proximidades del ecuador. Estas corrientes (en negrilla en la imagen anterior), en forma de bucles, juegan un papel fundamental en el ciclo solar. Cuando las manchas solares se debilitan, las corrientes en la superficie arrastran los restos de sus campos magnticos y los atraen hacia el interior de la estrella. Trescientos mil kilmetros por debajo de la superficie la dinamo magntica del Sol amplifica esos campos magnticos debilitados. Las manchas solares flotan y saltan a la superficie y un nuevo ciclo solar da comienzo. Mientras el mximo solar es relativamente breve, pues dura un par de aos y est marcado por violentos destellos solares que duran un par de das, el mnimo solar puede prolongarse por varios aos, como el anteriormente comentado mnimo de Maunder en el siglo XVII que dur 70 aos.

Telescopio solar SDO

En febrero de 2010 fue lanzado al espacio un extraordinario telescopio solar, el Observatorio de Dinmica Solar, SDO. Su objetivo principal es continuar las observaciones sistemticas del Sol iniciada en la dcada de los aos 90 por el satlite SOHO, que an se mantiene en funcionamiento. El SDO es un telescopio que puede medir los movimientos de la Banda Transportadora del Sol, no solo en la superficie, sino tambin en las profundidades. Al combinar datos heliosismolgicos proporcionados por SDO con modelos informticos, los investigadores podran predecir como se desarrollar un mnimo solar en el futuro. El telescopio SDO se encuentra en rbita geoestacionaria.

Naves gemelas STEREO

Adems desde octubre de 2006 la NASA dispone de dos naves gemelas en torno al Sol. La misin se llam STEREO y trataba de obtener, por primera vez, una imagen estereoscpica y completa del Sol, observado al mismo tiempo desde dos ngulos diferentes. Ya en 2009 las naves de la misin STEREO revelaron, en tres dimensiones, la estructura de las eyecciones de masa coronal, tambin conocidas como tormentas solares. Hasta ese momento era imposible detectar manchas solares (las causantes de las tormentas solares) si stas se producan en la cara opuesta del Sol. Pero ahora incluso las zonas ms remotas y activas a nuestra visin directa pueden ser accesibles y no nos volvern a coger por sorpresa. La colaboracin de SDO y STEREO ha permitido observar unas de las ms impresionantes erupciones solares, donde aparece afectado todo un hemisferio del Sol, el 1 de agosto de 2010. En el vdeo, de breves segundos, se aprecia este espectculo.

El 26 de noviembre de 2011, la nave Curiosity despegaba de Cabo Caaveral con destino a Marte, donde llegar en agosto de 2012. A 150 millones de kilmetros de all, aproximadamente en ese momento tena lugar una eyeccin de masa coronal poniendo tambin en direccin del planeta rojo una nube de plasma de mil millones de toneladas. sta a la enorme velocidad de 3 millones de kilmetros por hora, rpidamente dej muy atrs a la nave espacial. No obstante, este hecho nos recuerda uno de los principales problemas de las agencias espaciales para viajar por el espacio. Si en esta ocasin el plasma solar no alcanz la nave, es casi seguro que en futuras misiones s lo podra hacer, siendo prioritario el asunto de la proteccin de dichas naves y los posibles tripulantes.

Segn las predicciones de los fsicos solares, se espera que el ciclo solar 24 sea un ciclo dbil, pero existe el precedente de que la mayor tormenta solar registrada hasta la fecha, la ocurrida en 1859, se produjo en el contexto de un ciclo solar dbil, parecido al que se pronostica. Esa supertormenta solar fue la ms grande conocida. Se vieron auroras boreales hasta en el Caribe, se descontrolaron las brjulas magnticas y fallaron, quemndose muchos de ellos, los sistemas de telgrafos, que entonces constituan la ms alta tecnologa. Los testigos de hielo (barras extradas de las profundidades de zonas congeladas) nos indican que esas rfagas de partculas solares tan intensas suceden una vez cada 500 aos, pero incluso tormentas que se repiten cada 50 aos puede abrasar hoy satlites, bloquear las emisiones de radio, ocasionar apagones continentales, etc. Los costes de semejante catstrofe justifican un seguimiento solar sistemtico y una proteccin ms intensa de las redes de suministro elctrico, dos puntales de nuestro sistema tecnolgico actual.

La noche del domingo 28 de agosto de 1859 ya se vieron en los cielos de casi toda Norteamrica auroras boreales que se extendieron hasta el extremo de Florida. Los cuadernos de bitcora de los barcos que navegaban cerca del ecuador, describan luces rojizas y verdes. Muchos pensaban que sus ciudades estaban ardiendo. Durante el medioda del jueves 1 de septiembre, el astrnomo britnico Richard C. Carrington haca unos bocetos de un curioso grupo de manchas solares, curioso por la enorme extensin de las zonas oscuras, cuando fue testigo de un extraordinario destello de luz blanca, quizs como nunca antes se halla observado, procedente de dicho grupo de manchas, espectculo que dur unos cinco minutos. Diecisiete horas ms tarde una segunda oleada de auroras boreales convirti la noche en da en Norteamrica, desde el norte hasta Panam, y en otras latitudes similares. Se poda leer a la luz rojiza y verdosa de las auroras.

Si esta supertormenta no tuvo mayores consecuencias fue debido, nicamente, a que nuestra civilizacin tecnolgica an se hallaba en fase embrionaria. Una supertormenta de esa magnitud golpea una vez cada 500 aos, pero tormentas con la mitad de intensidad lo hacen cada 50 aos. La intensidad de una tormenta solar se puede cuantificar porque existe una correlacin entre las rfagas de partculas recibidas y la concentracin de nitratos atrapados en los testigos de hielo de Groenlandia y la Antrtida. La anomala del nitrato de 1859 destaca como la mayor de los ltimos 500 aos. Su intensidad equivale a la suma de los episodios ms importantes registrados desde hace 40 aos. Como hemos comentado, el antecedente de esta supertormenta fue la aparicin en el Sol de un grupo de manchas cerca del ecuador solar. Las manchas eran de tal magnitud que se perciban incluso a simple vista (con la adecuada proteccin). En el momento que se produjo la eyeccin inicial de la masa coronal, el grupo de manchas estaba frente a la Tierra: nuestro planeta se hallaba en el punto de mira solar. No obstante, no se requiere tanta puntera para que nos afecte, pues cuando la eyeccin alcanza la rbita terrestre se encuentra desplegada en una extensin de 50 millones de kilmetros, miles de veces el tamao de nuestro planeta, y tard entre 40 y 60 horas en alcanzar la Tierra. En el primer contacto con nuestro planeta la eyeccin apuntaba al norte y en consecuencia reforzaba el campo magntico de la Tierra, minimizando los efectos del encuentro. (En la figura la magnetosfera en estado normal):

Pero a medida que la corriente de plasma segua baando la Tierra, su campo magntico fue girando lentamente. Transcurridas unas quince horas, en lugar de reforzar el campo magntico terrestre se opona a l: las lneas de fuerza de nuestro planeta apuntaban al norte, mientras que las de la nube se dirigan hacia el sur.

Se produjo el contacto y la reconexin de las lneas, liberando grandes cantidades de energa almacenada. Fue entonces cuando comenzaron las auroras y las interrupciones de los telgrafos. Al cabo de uno o dos das la nube de plasma acab de pasar por la Tierra y el campo magntico terrestre recobr la normalidad.

Las eyecciones de masa coronal suelen ir acompaadas de una o ms fulguraciones intensas (Una fulguracin solar es una explosin, un fuerte destello, que emite rfagas de radiacin. Interfieren las emisiones de radio y la seal de los GPS; al calentar las capas altas de la atmsfera, la expanden, con lo que aumenta la fuerza de rozamiento con los satlites. Ver figura abajo.

La fulguracin que observ el astrnomo Carrington el 1 de septiembre debi alcanzar los 50 millones de grados y es muy probable que emitiera no solo en radiacin visible, sino tambin en rayos X y rayos gamma. La energa depositada en nuestra atmsfera debi ser inmensa y dicha radiacin debi tardar en llegar a nuestro planeta 8 minutos, bastante antes que la segunda eyeccin de masa coronal, con la que estaba asociada. La energa de los rayos X calent la alta atmsfera de la Tierra y debi expandirla entre decenas y cientos de kilmetros.Hoy se sabe que frecuentemente las eyecciones de masa coronal van acompaadas de una segunda rplica. As ocurri en la supertormenta de 1859. Alcanz la Tierra en 17 horas y esta vez el campo magntico del plasma apuntaba hacia el sur. El caos geomagntico no se hizo esperar. Fue de tal virulencia que comprimi la magnetosfera terrestre hasta solo 7.000 km frente a los 60.000 km que suele alcanzar. Quizs penetrase, incluso, en la alta estratosfera. Como el Cinturn de Van Allen que rodea nuestro planeta desapareci temporalmente, se debieron descargar gigantescas cantidades de protones y electrones en la atmsfera. Estas partculas cargadas fueron la causa de las intensas auroras que se registraron en buena parte del mundo. Por otra parte la lluvia de protones de esta supertormenta de 1859 pudo reducir la capa de ozono estratosfrico en un s por ciento. Seran necesarios 4 aos para recuperar lo perdido. Los protones ms energticos los mil millones de electronvoltios y debieron reaccionar con ncleos de N y de O del aire, producindose neutrones y se generaron las anomalas registradas en las cantidades producidas de nitratos.Mientras las auroras se extendan ms all de las latitudes que le son habituales hasta otras mucho ms bajas, las corrientes elctricas creadas en la ionosfera y las de las mismas auroras, inducan en el suelo otras intensas corrientes elctricas, que atravesaban continentes. Afortunadamente no afectaron a la vida, pero entraron en los circuitos de los telgrafos. Las descargas, de alto voltaje y muchos amperios, rozaron el umbral de la electrocucin, quemando muchas estaciones de telgrafos. Hoy en da los grandes transformadores estn conectados elctricamente a tierra y por tanto quedaran expuestos a estas corrientes inducidas, pudiendo alcanzar las bobinas temperaturas superiores a los 200 grados. A esas temperaturas los refrigerantes se evaporan y los equipos se funden. Las vctimas ms claras seran los satlites. En condiciones normales los rayos csmicos erosionan los paneles solares y reducen su capacidad de generar energa en un dos por ciento anual. En cuestin de horas, una tormenta fuerte puede hacer perder el equivalente de uno a tres aos de vida de un satlite, adems de producir cientos de fallos en los sistemas, desde instrucciones errticas hasta descargas electrostticas destructivas. Segn la intensidad de la tormenta pueden acabar inutilizados. Vemos, por tanto, que lo que est en juego bastante importante. Algunas de las reparaciones que implicara una fuerte tormenta solar implicara meses o aos, y eso en una sociedad tan tecnificada como la nuestra supone un gran problema. ltimamente hemos visto como se han ido instalando algunas de esas necesarias boyas espaciales para el seguimiento sistemtico de nuestra estrella. Cuantos ms observatorios podamos colocar alrededor de nuestro Sol y ms se investigue sobre el mismo, ms segura ser la vida en nuestro planeta.

Para la elaboracin de esta entrada se han consultado diversas fuentes: Mltiples pginas de Ciencia NASA; el trabajo de Bruno Snchez-Andrade y Klaus Puchman Fsica solar del 2009 en la revista AstronomA; los trabajos de A.A. Gonzlez Coroas Despierta el nuevo ciclo solar y Astronoma diurna tambin en la revista AstronomA y el trabajo de Sten F. Odenwald y James L. Green Supertormenta solar en Scientific American.

18 de febrero de 2012