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1 de Enero de 2016
Reseña

La actividad del Sol

Manchas, dinamos y ciclos solares.

NATURE'S THIRD CYCLE. A STORY OF SUNSPOTS
Por Arnab Rai Choudhuri. Oxford University Press, Oxford, 2015.

La empresa científica dedicada a investigar la estructura y actividad del Sol presenta, para sus protagonistas, retos continuos cuya superación ha ido transformando la misma física general. Ha ido de la mano de los progresos de la técnica, que han permitido tomar imágenes espectaculares de los fenómenos solares. Nature’s third cycle, escrito en clave autobiográfica, transporta al lector desde los primeros descubrimientos hasta los últimos resultados del ciclo magnético de actividad solar. Arnab Rai Choudhuri, su autor, es catedrático de física del Instituto Indio de la Ciencia. Estudió con dos gigantes de la astrofísica teórica, Subrahmanyan Chandrasekhar, quien recibió el Nobel en 1983 por predecir la formación de los agujeros negros, y Eugene Newman Parker, supervisor de su tesis doctoral defendida en la Universidad de Chicago. Choudhuri, uno de los creadores del modelo de dinamo de transporte de flujo, ha escrito también dos manuales hoy clásicos: The physics of fluids and plasmas y Astrophysics for physicists.

En torno a los dos primeros ciclos de la naturaleza, el ciclo del día y la noche (diurno) y el ciclo de las estaciones (anual), se organiza la actividad humana. Puede decirse que la civilización comenzó cuando nuestros antepasados se percataron del curso de las estaciones. Empezaron a saber cuándo sembrar y cuándo cosechar. No solo el hombre; hasta los animales inferiores son sensibles a los ciclos circadianos. Las manchas solares, el tercer ciclo natural, dibujan trazos oscuros sobre la superficie del Sol. Su incidencia varía en un ciclo que se atiene a un período medio de once años. Cabría mencionar un cuarto ciclo, el de las fases lunares, carente de especial interés en un mundo cosmopolita, que sigue regulando prácticas y hábitos de religiones como el islamismo y el hinduismo.

El Sol ejerce una influencia determinante sobre el clima y el entorno espacial de la Tierra. En condiciones normales, los rayos solares calientan adecuadamente nuestro planeta azul, propiciando agua en forma líquida en buena parte de la superficie terrestre y posibilitando que la vida anime en miríadas de formas. Ese calentamiento suave procede de un flujo incesante de energía solar, que, por lo que sabemos, ha permanecido constante sobre la Tierra a lo largo de períodos geológicos. Ahora bien, cuando el astro experimenta un episodio particularmente intenso de manchas solares, se hacen más frecuentes las violentas tormentas que agitan grandes masas de plasma magnético hacia la Tierra; su repercusión sobre un mundo que depende del buen funcionamiento de la técnica es bien conocida [véase «Sorpresas en los cinturones de Van Allen», por Daniel N. Baker; Investigación y Ciencia, diciembre de 2015].

El fenómeno posee una larga historia cultural. Recogen las crónicas medievales que, en el año 814, se observó una ingente mancha solar antes de la muerte del emperador Carlomagno, presagio, se pensó, de la inminencia de la misma. En realidad, las manchas solares habían sido estudiadas en China y Corea desde hace unos 2000 años, asociadas también a avatares del emperador.

En torno a 1610, Galileo Galilei, Christoph Scheiner, Johannes Fabricius y Thomas Harriot comenzaron las observaciones sistemáticas de las manchas con sus telescopios rudimentarios. Fue Galileo quien formuló las propuestas más sagaces, comprobado que cambiaban de sitio de un día a otro. De ello Galileo extrajo la conclusión acertada de que debían ser marcas sobre la superficie solar; variaban su posición en virtud de la rotación del Sol sobre su propio eje. Dedujo que el período de rotación del Sol era de 27 días. Había comenzado la física solar.

En 1795, William Herschel, descubridor de Urano, se esforzó en hilvanar una explicación de las manchas. Creía que el Sol tenía una superficie fría rodeada por nubes radiantes de calor. Las nubes se hallarían tan densamente empaquetadas en la atmósfera solar que solo nos dejarían ver la punta apical de las mismas; en ciertas ocasiones se producirían hiatos entre nubes que pondrían al descubierto el interior frío. Para Herschel, las manchas solares serían justamente esos hiatos entre nubes.

Pasado medio siglo, en 1844, Heinrich Schwabe (1789-1875), boticario de Dessau, descubrió el ciclo de manchas solares. Tras procurarse un pequeño telescopio en 1826, observó diariamente el astro con el fin de anotar el paso de cualquier planeta más cercano al Sol que Mercurio. De existir un planeta así, Schwabe esperaba divisarlo delante del Sol, a modo de lunar sobre el disco solar. Se habían observado tránsitos de ese tipo de Mercurio y Venus. Mientras se afanaba en tal empeño, Schwabe realizó un registro de las manchas solares que aparecían. Al comienzo de sus registros eran numerosas. En 1828 contabilizó 225. Esa cifra bajó en los años siguientes hasta caer a 33 en 1833. Y de nuevo volvían a emerger para ir desapareciendo. En 1844, Schwabe llegó a la conclusión de que había descubierto un ciclo periódico de manchas solares. Estimó el ciclo en diez años. Sabemos hoy que no todos los ciclos son de igual longitud. Los hay de más de once años y otros más breves.

A través de las manchas, Richard Carrington llegó, en 1859, al descubrimiento de las fulguraciones solares. Tras el ciclo de las manchas se esconden numerosos fenómenos del astro. Las fulguraciones solares son explosiones que duran pocos minutos y liberan una energía que es miles de millones de veces la energía de la bomba atómica arrojada sobre Hiroshima. Tales fulguraciones se cuentan, sin duda, entre los fenómenos más violentos del sistema solar. Suelen darse por encima de las grandes manchas solares. Una gran mancha solar vive unos diez días antes de desintegrarse y desaparecer. Se supone que la difusión turbulenta en la zona de convección del Sol dispersa el campo magnético de la mancha solar. Para observar manchas espectaculares no necesitamos servirnos del telescopio; se distinguen a simple vista, cuando el Sol se encuentra cerca del horizonte, inmediatamente después del orto o antes del ocaso. El campo magnético terrestre aporta una suerte de escudo protector frente a los efectos de alteraciones solares súbitas. Este escudo protector es más débil cerca de los polos geomagnéticos.

Un siglo después de la identificación del ciclo de manchas solares, la causa del mismo seguía envuelta en el misterio. Pero en 1908 se descubrieron poderosos campos magnéticos en las manchas solares, lo que vinculó ese ciclo de once años a la actividad magnética del Sol. Solo con los grandes avances en física de plasmas, alcanzados en los últimos decenios, se ha podido tejer una teoría coherente sobre el origen del ciclo y entender las repercusiones de las grandes explosiones solares sobre la Tierra. En efecto, en ese año de 1908, George Ellery Hale (1868-1938) descubrió que las manchas solares eran regiones de un campo magnético intenso. Diez años antes (en 1897), Pieter Zeeman había establecido la existencia de múltiples líneas en el espectro óptico donde solo aparecía una línea en ausencia de campo magnético. Hale se percató de que el espectro de una gran mancha solar manifestaba ese desdoblamiento de líneas espectrales. Y llegó a la conclusión de que una mancha solar era una región de un intenso campo magnético. El campo magnético de una mancha solar grande puede multiplicar por cinco mil la intensidad del campo magnético existente alrededor del polo geomagnético de la superficie de la Tierra.

El descubrimiento de Hale, de la existencia de campos magnéticos en las manchas solares, resultó de la máxima importancia para la física, pues se trataba de la primera vez que se reconocía la presencia de campos magnéticos fuera de la Tierra. Los campos magnéticos se hallan ubicuos por todo el universo. Con el descubrimiento de Hale quedó claro que el ciclo de once años de las manchas solares no era otra cosa que un ciclo magnético del Sol. Gracias al empleo del carbono 14 y el berilio 10, podemos retrotraer los registros de manchas milenios atrás, antes de la propia aparición de la civilización humana.

En 1955, Eugene Parker mostró que las ecuaciones de la magnetohidrodinámica permitían la existencia de una dinamo de fluido autoexcitada. Pergeñó las ecuaciones de dinamo que permitían explicar numerosos aspectos del campo magnético solar, incluido el ciclo de once años, hasta entonces un misterio irresoluble. (En 1958 Parker desarrolló la teoría del viento solar. Trabajando con las ecuaciones básicas de mecánica de fluidos, halló que las altas temperaturas de la corona solar debían causar un viento continuo de gas caliente que arrancaba del Sol y soplaba por todo el sistema solar. A los pocos años, las mediciones tomadas por satélites confirmaron brillantemente su teoría. Mientras que la luz tarda, desde el Sol, ocho minutos en llegar a la Tierra, el viento solar tarda unos tres días en cubrir la distancia del Sol a la Tierra, que es lo que tarda una fulguración solar en afectar a nuestro planeta; observación que plantea la intrigante sugerencia de que los residuos de una fulguración solar pudieran ser transportados a la Tierra por el viento solar.) [Véase «Campos magnéticos en el cosmos», por Eugene N. Parker; Investigación y Ciencia, octubre de 1983.]

Las manchas solares son lugares de intensos campos magnéticos, generados por una acción de dinamo en el interior solar y con propiedades sistemáticas que se invierten de un ciclo al siguiente. En la modelización del proceso de dinamo que genera la actividad cíclica en el Sol y en otras estrellas distinguimos dos tipos críticos de componentes del campo magnético: uno es el campo toroidal, que gira azimultamente alrededor del eje de rotación; el otro es el campo poloidal, que, en su forma más elemental, es el de un dipolo magnético alineado con el eje de rotación y produce un campo que recuerda al de una barra magnética oscilatoria. Las variaciones de la velocidad rotacional pueden generar campos toroidales a partir de campos poloidales; la generación de un campo poloidal inverso a partir de un campo toroidal es mucho más sutil. A estos procesos, descritos por Parker, Choudhuri los llamó dogma central del ciclo solar.

Choudhuri y su grupo han descrito la creación de bucles aislados de flujo magnético en el interior profundo del Sol, la interacción de los mismos con la rotación a medida que ascienden a la superficie y su emergencia para formar manchas solares. En ese cuadro, esos campos de superficie se distorsionan progresivamente para crear un campo poloidal inverso, que se transporta luego hacia los polos y hacia abajo, hacia capas más profundas donde puede generarse un campo toroidal inverso. Aunque este proceso sigue siendo objeto de debate, Choudhuri logró un triunfo al predecir con precisión que el ciclo solar de su tiempo sería mucho más débil que sus predecesores inmediatos.

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