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Todos saben que el Sol tiene gran importancia
para la vida en la Tierra, pero muy pocos hemos recibido una buena descripción
de nuestra estrella y sus variaciones. 
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El Sol es una estrella promedio, similar a millones de otras en el Universo.
Es una máquina de energía poderosa que produce alrededor de 4.0E023
kilovatios de energía por segundo. En otras palabras, si pudiéramos acumular el
total de energía que el Sol produce en un segundo, alcanzaría para proveer
suficiente energía a un país de 140.000.000 de personas según el uso actual y
por los próximos 9 millones de años. La fuente básica de energía del Sol es la
fusión nuclear, que utiliza las altas temperaturas y las grandes densidades en
su núcleo para fusionar el hidrógeno, produciendo energía y creando helio como
un sub-producto. El núcleo es tan denso y el tamaño del Sol es tan grande que la
energía que sale del centro del Sol tarda unos 50 millones de años para llegar a
la superficie, pasando por un proceso de absorción y re-emisión en el camino. Si
el Sol dejara de producir energía hoy, tomaría 50,000,000 años para que se
sintiera algún efecto significativo en la Tierra!
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El Sol ha estado produciendo energía radiante y térmica por los pasados
cuatro o cinco billones de años. Tiene suficiente hidrógeno para continuar
produciendo por otros cien billones de años. Sin embargo, en diez o veinte
billones de años la superficie del Sol empezará a expandirse, cubriendo los
planetas del sistema solar (incluyendo la Tierra). En ese momento, el Sol
será una estrella roja gigante. El Sol podría colapsar y se convertiría
nuevamente en una estrella de combustión de helio. Sin embargo, debido a su
tamaño promedio, se espera que el Sol se contraiga y se convierta en una
estrella relativamente pequeña y fría conocida como una enana blanca.
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Durante mucho tiempo se ha conocido que el Sol no es una estrella sin
rasgos distintivos o estable. [Theophrastus identificó las manchas solares en el año
325 A.C] Algunas de las características más importantes del Sol se describirán
en las siguientes secciones.
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Manchas Solares
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Las manchas solares, manchas obscuras en la superficie del Sol, contienen
campos magnéticos > transitorios y concentrados. Ellas son las características
visibles más prominentes en el Sol; una mancha solar de tamaño promedio, puede
ser tan grande como la Tierra. Las manchas solares se forman y desaparecen en
periodos de días o semanas. Estas ocurren cuando aparecen campos magnéticos
fuertes a través de la superficie solar y permiten que esa área se refresque
algo, de una temperatura de 6000 grados C a más o menos 4200 grados C; ésta área
aparecerá como una mancha obscura en contraste con el resto del Sol. El área más
obscura en el centro de la mancha solar se llama el umbra; es allí donde la
fuerza del campo magnético es mayor. La parte menos obscura y estriada alrededor
del umbra se llama la penumbra. Las manchas solares rotan con la superficie
solar, demorando cerca de 27 días para completar una vuelta según es visto desde
la Tierra. Las manchas solares cerca del ecuador rotan a una velocidad mayor que
las manchas cerca de los polos. Los grupos de manchas, especialmente aquellos
con campos magnéticos complejos, son a menudo aquellos donde se ven destellos.
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Durante los últimos 300 años, el promedio de manchas solares regularmente
incrementa y disminuye en un ciclo de 11 años. El Sol, como la Tierra, tiene
estaciones pero su año es igual a 11 años terrestres.
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Huecos Coronales
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Una
característica solar variable, que puede durar de meses a años, son los Huecos
Coronales. Estos se ven como huecos grandes y obscuros cuando se observa el Sol
en longitudes de onda de rayos x. Estos huecos están arraigados en las células
grandes de campos magnéticos unipolares en la superficie del Sol; cuyas líneas
de campo se extienden bien lejos en el sistema solar. Estas líneas de campo
abierto permiten una corriente continua de viento solar de gran velocidad. Los
huecos coronales tienen un ciclo de largo periodo, que no se corresponde
exactamente con el ciclo de las manchas solares; los huecos tienden a ser más
numerosos en los años que siguen al máximo solar. En algunas etapas del ciclo
solar, estos huecos son continuamente visibles en los polos norte y sur del Sol.
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Prominencias
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Las prominencias solares (vistas como filamentos obscuros en el disco) son
generalmente nubes quietas de material solar sostenidas sobre la superficie
solar por los campos magnéticos. La mayoría de las prominencias entran en
erupción en algún momento de su ciclo de vida, emanando gran cantidad de
material solar al espacio.
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Destellos
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Eyecciones Coronales
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La
atmósfera solar externa, la corona, está formada por fuertes campos magnéticos.
Donde se cierran estos campos, usualmente sobre grupos de manchas solares, la
atmósfera solar puede, súbita y violentamente, soltar burbujas o lenguas de gas
y campos magnéticos llamadas eyecciones coronales (EC) Una EC de gran tamaño
puede contener 10.0E16 gramos (un billón de toneladas) de materia que pueden ser
impulsadas a millones de millas por hora causando una explosión espectacular. La
materia solar puede extenderse hacia el medio interplanetario, impactando
planetas o sondas en su camino. Las EC se han asociado con destellos pero
usualmente ambos son independientes.
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Entre el Sol y la Tierra
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La región entre el Sol y los planetas es
conocida como medio interplanetario. Aunque alguna vez se consideró un vacío
perfecto, en realidad es una región turbulenta dominada por el viento solar, que
fluye a velocidades entre aproximadamente 250 a 1000 km por segundo (entre
600,000 a 2,000,000 millas por hora). Otras características del viento solar
(densidad, composición y la fuerza del campo magnético, entre otras) varían de
acuerdo a las condiciones cambiantes del Sol. El efecto del viento solar puede
ser visto en las colas de los cometas que siempre apuntan alejándose del Sol.
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El viento solar fluye alrededor de obstáculos tales como planetas, pero estos
planetas con sus propios campos magnéticos responden de una manera específica.
El campo magnético de la Tierra es muy similar al patrón que forman las
limaduras de hierro alrededor de un imán de barra. Bajo la influencia del viento
solar, las líneas de estos campos magnéticos se comprimen en la dirección del
Sol y se estiran hacia la dirección del viento. Esto es lo crea la magnetosfera,
una compleja cavidad alrededor de la Tierra en forma de gota. Los cinturones de
radiación de Van Allen se encuentran en esta cavidad, así como la ionosfera, una
capa de la atmósfera alta donde se lleva a cabo la foto-ionización por los rayos
x solares y la radiación ultravioleta extrema crea electrones libres. El campo
magnético de la Tierra es sensible al viento solar, su velocidad, densidad y su
campo magnético. Debido a que el viento solar varía con escalas de tiempo
pequeñas, a veces en sólo segundos, la interfase que separa el espacio
interplanetario de la magnetosfera es muy dinámica. Normalmente a esta interfase
se le llama la magnetopausa y se encuentra a una distancia equivalente a más o
menos el radio de la Tierra en la dirección al Sol. Sin embargo, durante los
episodios de gran velocidad o densidad de viento solar, la magetopausa puede ser
empujada hacia adentro hasta medir casi 6.6 radios de la Tierra (la altitud de
los satélites geosincronizados). A medida que la magnetosfera extrae energía del
viento solar, los procesos internos producen las tormentas geomagnéticas.
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Los Efectos Solares en la Tierra
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Algunos de los efectos más importantes de las variaciones solares en la
Tierra son las auroras, los eventos de protones y las tormentas geomagnéticas.
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Aurora
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La aurora es una
manifestación dinámica y visualmente delicada de las tormentas geomagnéticas
producidas por el Sol. El viento solar energiza los electrones y los iones en la
magnetosfera. Estas partículas usualmente entran en la parte alta de la
atmósfera terrestre cerca de las regiones polares. Cuando las partículas tocan
las moléculas y los átomos de la fina atmósfera alta, algunas empiezan a brillar
de diferentes colores.
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Las auroras empiezan a latitudes entre los 60 y 80 grados. A medida que la
tormenta se intensifica, las auroras se esparcen hacia el ecuador. En 1909,
durante una tormenta inusualmente grande, una aurora fue visible en Singapur, en
el ecuador geomagnético. Las auroras proveen un espectáculo maravilloso, pero no
son más que señales visibles de cambios atmosféricos que pueden ocasionar
grandes estragos en los sistemas tecnológicos.
Aurora en El Paso County, Texas, August 12, 2000
Courtesía de Christopher Grohusko.
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Eventos de Protones
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Los protones energizados pueden alcanzar la Tierra dentro de los 30 minutos
posteriores a un destello solar importante. Durante este tipo de evento, la
Tierra es bañada por partículas solares energizadas (primordialmente protones)
emanadas del lugar del destello. Algunas de estas partículas se mueven en
espiral por las líneas del campo magnético de la Tierra, penetrando en las altas
capas de la atmósfera donde se produce una ionización adicional y pueden
producir un aumento significativo en la cantidad de radiación ambiental.
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Tormentas Geomagnéticas
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De uno a cuatro días, de la ocurrencia de un destello o de una prominencia
eruptiva, una nube más lenta de materia y campo magnético solar llega a la
Tierra, golpeando la magnetosfera y resultando en una tormenta geomagnética.
Estas tormentas son variaciones extraordinarias del campo magnético en la
superficie de la Tierra. Durante una tormenta geomagnética, porciones de la
energía del viento solar son transferidas a la magnetosfera, provocando cambios
súbitos en dirección e intensidad del campo magnético de la Tierra y energizando
lo población de partículas del mismo.
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Sistemas Afectados
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Comunicaciones
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Muchos sistemas de comunicaciones utilizan la ionosfera para transmitir
señales de radio a grandes distancias. Las tormentas ionosféricas pueden
afectar las comunicaciones de radio en todas las latitudes. Algunas frecuencias
de radio son absorbidas y otras son reflejadas, lo que produce señales que
fluctúan con rapidez y que siguen rutas de propagación inesperadas. Las
estaciones comerciales de televisión y radio se afectan poco con la actividad
solar pero las comunicaciones aero-terrestres, barco-puerto, La Voz de América,
la Radio Libre Europea y algunas frecuencias de radio aficionados se ven
afectadas frecuentemente. Los operadores de radio que utilizan frecuencias
altas confían en las alertas de actividad solar y geomagnética para poder
mantener los circuitos de comunicación funcionando.
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Algunos sistemas militares de detección o sistemas de aviso temprano también
se ven afectados por la actividad solar. Las señales del
Radar-Sobre-el-Horizonte rebotan en la ionosfera para facilitar el rastreo del
despegue de naves y mísiles desde grandes distancias. Durante las tormentas
geomagnéticas, este sistema podría ser muy afectado debido a desórdenes
radiales. Algunos sistemas de detección de submarinos utilizan las "firmas"
magnéticas de los submarinos como una de las entradas de sus esquemas de
localización. Las tormentas geomagnéticas pueden distorsionar estas señales.
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Rutinariamente, la Administración Federal de Aviación recibe alertas de
explosiones solares en los sistemas de radio de manera que puedan reconocer los
problemas de comunicaciones y evitar gastos de mantenimiento innecesarios.
Cuando un avión y una estación en tierra están alineados con el Sol, pueden
ocurrir congestionamientos en las frecuencias de los sistemas de radios. Esto
puede ocurrir también cuando la estación terrestre, el satélite y el Sol están
alineados.
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Sistemas de Navegación
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- Los sistemas tales como LORAN y OMEGA son afectados cuando la actividad
solar interrumpe la propagación de sus señales. El sistema OMEGA consiste de
ocho transmisores localizados a través del mundo. Los aviones y los barcos
utilizan señales de frecuencias muy bajas desde estos transmisores para
determinar sus posiciones. Durante los eventos solares y las tormentas
geomagnéticas, el sistema puede dar a los navegantes información incorrecta,
algunas veces errando por muchas millas. Si se informa a los navegantes de que
está ocurriendo un evento de protones o una tormenta geomagnética, ellos pueden
cambiarse a un sistema alterno. Las señales de los sistemas de posicionamiento
geográfico (GPS por sus siglas en inglés) también se afectan cuando la
actividad solar provoca variaciones repentinas en la densidad de la ionosfera.
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- Satélites
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Las tormentas geomagnéticas y el aumento en la emisión solar ultravioleta
calientan la atmósfera alta de la Tierra provocando su expansión. El aire
caliente sube y la densidad del aire en la órbita de los satélites que se
encuentran hasta casi 1000 Km se incrementa considerablemente. Esto provoca un
aumento en la fricción de los satélites en el espacio haciendo que reduzcan su
velocidad y que cambien ligeramente su órbita. Si los satélites en órbitas
bajas no son elevados rutinariamente, caerían y se quemarían en la atmósfera de
la Tierra.
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El "Skylab" es un ejemplo de una nave re-entró a la atmósfera de la Tierra
antes de tiempo como resultado de más actividad solar de lo normal. Durante la
gran tormenta geomagnética de Marzo de 1989, cuatro satélites de navegación de
la Fuerza Naval se tuvieron que sacar fuera de servicio por casi una semana.
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A medida que la tecnología ha permitido que los componentes de las naves
sean más pequeños, sus sistemas miniaturizados son mucho más vulnerables a las
partículas solares más energéticas. Estas partículas pueden provocar daños
físicos a los “microchips” y pueden cambiar los comandos de los programas en
las computadoras de los satélites.
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Cargas Diferenciales
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Otro problema para los operadores de satélites son las cargas diferenciales.
Durante las tormentas geomagnéticas, aumenta el número y la energía de los
electrones e iones. Cuando un satélite viaja a través de este ambiente
energizado, las partículas cargadas que chocan contra la nave provocan que
diferentes partes de ésta tengan cargas eléctricas diferentes. Eventualmente,
las descargas eléctricas pueden llegar a los componentes de la nave y causar
daño o invalidarlos. Carga Gruesa. La carga gruesal (también llamada carga
profunda) ocurre cuando las partículas energéticas, primordialmente electrones,
penetran en la cubierta externa de un satélite y depositan su carga en sus
componentes del interior. Si se acumula suficiente carga en uno de sus
componentes, puede tratar de neutralizarse descargando los demás componentes.
Esta descarga es muy peligrosa para los sistemas electrónicos de los satélites.
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- Peligros de Radiación para los Humanos
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Los destellos solares intensos dejan escapar partículas altamente cargadas
que pueden ser tan peligrosas para los humanos como las explosiones nucleares
de radiación de baja energía. La atmósfera y la magnetosfera de la Tierra nos
proveen la protección adecuada en la superficie de la Tierra, pero los
astronautas en el espacio están expuestos a dosis letales de radiación. La
penetración de partículas de alta energía en células vivientes, medidas en
dosis de radiación, causan daños a los cromosomas y, potencialmente, cáncer.
Grandes dosis serían fatales inmediatamente. Los protones solares con energías
más altas que 30 MeV son los más peligrosos. En octubre de 1989, el Sol produjo
suficientes partículas energéticas para que un astronauta en la Luna,
utilizando su traje espacial fuera de su nave durante la parte más mala de la
tormenta, hubiese muerto. (Los astronautas que hubiesen tenido tiempo de
refugiarse bajo el suelo lunar hubiesen absorbido solo una pequeña parte de la
radiación.)
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Los eventos solares de protones también pueden producir altas
concentraciones de radiación en un avión volando a grandes alturas. Aún cuando
estos riesgos son mínimos, la vigilancia constante de eventos solares a través
de instrumentos en los satélites, permite que se vigile, y se evalúe, estas
exposiciones ocasionales.
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Exploración Geológica
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- Los geólogos utilizan el campo magnético de la Tierra para determinar las
estructuras de las rocas subterráneas. En la mayoría de las ocasiones, estos
exploradores geodéticos están buscando petróleo, gas o depósitos minerales.
Ellos logran esto sólo cuando el campo de la Tierra está en calma de manera que
las señales magnéticas características puedan ser detectadas. Otros
exploradores prefieren trabajar cuando ocurren tormentas geomagnéticas, cuando
las variaciones en las corrientes eléctricas bajo la superficie de la Tierra
les permitan ver las estructuras del petróleo o los minerales bajo la
superficie. Por estas razones, muchos exploradores utilizan las alertas
geomagnéticas y las predicciones para programar sus actividades.
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Energía Eléctrica
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- Cuando los campos magnéticos de mueven cerca de un conductor como por
ejemplo un cable, se induce una corriente eléctrica al conductor. Esto pasa a
grandes escalas durante una tormentas geomagnéticas. Las compañías de energía
eléctrica transmiten corrientes alternas a sus clientes a través de largas
líneas de transmisión. Durante estas tormentas se inducen corrientes casi
directas, peligrosas para los equipos de transmisión. El 13 de marzo de 1989,
en Montreal, Quebec, 6 millones de abonados se quedaron sin luz por 9 horas
como resultado de una tormenta geomagnética inmensa. Algunas áreas del nordeste
de los Estados Unidos y de Suecia también pasaron por lo mismo. Al recibir
alertas y avisos de tormentas geomagnéticas, las compañías de energía eléctrica
pueden minimizar los daños y las interrupciones del servicio eléctrico.
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- Tendidos de Tuberías
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Los campos magnéticos que fluctúan con rapidez pueden inducir corrientes en
los tendidos de tuberías. En ese momento, pueden surgir muchos problemas para
los ingenieros de éstos tendidos. Los medidores de flujo pueden transmitir
información errónea y se eleva dramáticamente la tasa de corrosión de los
tubos. Si los ingenieros trataran involuntariamente de balancear estas
corrientes durante una tormenta geomagnética, las tasas de corrosión
aumentarían aún más. Rutinariamente, los administradores de estos ductos
reciben alertas y avisos que los ayudan a mantener un sistema eficiente y de
larga vida.
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- Clima
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El Sol es el motor de calor que maneja la circulación de nuestra atmósfera.
Aún cuando durante mucho tiempo se lo ha visto como una fuente constante de
energía, las mediciones recientes de esta constante solar han demostrado que la
emisión base del Sol puede variar hasta dos décimas de pocriento durante el
ciclo solar de 11 años. Se han observado bajas temporales de hasta medio punto
porcentual. Los científicos atmosféricos dicen que esta variación es
significativa y que puede modificar el clima a lo largo del tiempo. Se ha visto
que el crecimiento de las plantas varía durante los ciclos de manchas de
11-años y los ciclos magnéticos de 22 años del Sol como lo evidencian los datos
sobre los anillos de los árboles.
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Aún cuando el ciclo solar ha sido regular durante los últimos 300 años, hubo
un periodo de 70 años durante el siglo 17 y 18 cuando se vieron muy pocas
manchas solares (aún cuando los telescopios eran utilizados extensamente). Esta
baja en el número de manchas solares coincide con la mini-era glacial en
Europa, lo que implicaba una conexión entre el Sol y el clima. Hay
especulaciones recientes sobre el enlace o relación entre el clima y la
variación solar. Los vientos estratosféricos cerca del ecuador soplan en
direcciones diferentes, dependiendo del tiempo dentro del ciclo solar. Hay
estudios en desarrollo que determinarán cómo los efectos de esta inversión del
viento afecta los patrones de circulación global y clima.
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Durante los eventos de protones, más partículas energéticas llegan a la
atmósfera media de la Tierra. Allí, éstas causan ionización molecular, creando
substancias químicas que destruyen el ozono atmosférico y permiten que
cantidades mayores de radiación ultravioleta alcancen la superficie de la
Tierra. Un evento de protones solar en 1982 causó una disminución temporera en
la densidad del ozono de 70%.
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- Biología
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Existe gran cantidad de evidencia de que los cambios en el campo magnético
afectan los sistemas biológicos. Los estudios indican que sistemas biológicos
estresados físicamente pueden responder a las fluctuaciones del campo
magnético. El interés y la preocupación por este tema han llevado a la Unión
Internacional de Ciencias Radiales a crear una nueva comisión llamada Electromagnetismo en Biología y Medicina.
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Posiblemente, la variable más estudiada de los efectos biológicos del Sol ha
sido la degradación de las habilidades de navegación de las palomas durante una
tormenta geomagnética. Las palomas y otros animales migratorios, como los
delfines o las ballenas, tienen compases biológicos internos compuestos de
magnetita mineral envuelta en células nerviosas. Aún cuando este no es su
método primordial de navegación, han habido muchos accidentes en carreras de
palomas, un término utilizado cuando sólo un porcentaje pequeño de palomas
regresan al sitio donde fueron liberadas. Debido a que éstas pérdidas han
ocurrido durante tormentas geomagnéticas, los manejadores de palomas han
aprendido que deben averiguar sobre las alertas y avisos de tormentas
geomagnéticas cuando van a planificar sus carreras.
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Conclusión
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Ha sido en las últimas décadas que se ha reconocido y apreciado que los
destellos solares, los CMEs y las tormentas magnéticas afectan a las personas y
sus actividades. La lista de consecuencias crece en proporción a nuestra
dependencia de los sistemas tecnológicos. Los resultados de las interacciones
entre el Sol y la Tierra y entre las partículas solares y los instrumentos
delicados, se han convertido en factores que afectan nuestro bienestar. Así que
hay una necesidad continua e intensificada de servicios ambientales espaciales
que atiendan las necesidades de salud, seguridad y comercio.
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Lecturas Sugeridas
-
Davies, K., 1990, Ionospheric Radio. Peter Peregrinus, London.
-
Eather, R. H., 1980, Majestic Lights. AGU, Washington, D.C.
-
Garrett, H. B., and C. P. Pike, eds., 1980, Space Systems and Their
Interactions with Earth's Space Environment. New York: American Institute
of Aeronautics and Astronautics.
-
Gauthreaux, S., Jr., 1980, Animal Migration: Orientation and Navigation.,
Chapter 5. Academic Press, New York.
-
Harding, R., 1989, Survival in Space. Routledge, New York.
-
Joselyn, J.A., 1992, The impact of solar flares and magnetic storms on
humans. EOS, 73(7): 81, 84-85.
-
Johnson, N. L., and D. S. McKnight, 1987, Artificial Space Debris.
Orbit Book Co., Malabar, Florida.
-
Lanzerotti, L. J., 1979, Impacts of ionospheric / magnetospheric process on
terrestrial science and technology. In Solar System Plasma Physics, III,
L. J. Lanzerotti, C. F. Kennel, and E.N. Parker, eds. North Holland Publishing
Co., New York.
-
Campbell, W.H., 2001, Earth Magnetism: A Guided Tour Through Magnetic
Fields, Harcourt Sci. and Tech. Co., New York
-
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Ilustraciones
- Imagen del Sol H-alpha cortesía del "U.S. Air Force Solar Optical Observing
Network".
- Imagen de Luz Blanca del Sol del Satélite Japonés Yohkoh, courtesía del
"Hiraiso Observatory".
- Imagen del Sol en Rayos X del Satélite Japonés Yohkoh, courtesía del
"Hiraiso Observatory".
- Eyección de Masa Coronal del sistema SOON del "Holloman Airforce Base".
- Las demás imágenes fueron cortesía del "Space Environment Center", NOAA.
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