La actividad del Sol y su efecto sobre la Tierra

Silvia Bravo

Instituto de Geofísica, UNAM


El 9 de abril de 1997, ocurrió un evento sin precedente en toda la historia del Sistema Solar. Por primera vez, el aviso de una explosión ocurrida en el Sol y la alerta sobre una posible tormenta magnética que podría causar daños a instalaciones eléctricas e interrupción de las radiocomunicaciones fue difundido por los medio noticiosos. Que en el Sol haya explosiones no es nada extraordinaro y que estas explosiones afecten al entorno magnético de la Tierra y causen daños a nuestra tecnología, tampoco. Lo realmente novedoso, y muy importante, fue que esta información trascendiera, gracias a la INTERNET, a la población en general. Estamos iniciando una nueva era en la comunicación, cuyos alcances es imposible predecir, pero que seguramente tendrán un gran impacto en la sociedad, y en nuestra forma de ver el mundo y de ubicarnos en él. Por lo pronto, información que antes estaba restringida a pequeños grupos de expertos, está ahora al alcance de todos y muchos empiezan ya a interesarse en ella. Pero la información sin contexto puede ser malinterpretada y resultar perturbadora. Como ya no va a ser posible que la información se detenga, tendremos ahora que preocuparnos por proporcionar también el contexto.

       Lo que fue designado como una explosión en el Sol, correspondió a un evento solar denominado ráfaga (llamarada o fulguración), el cual es bastante común. De hecho, las ráfagas fueron la primera manifestación de actividad observada en el Sol, hace ya más de 100 años. Las más energéticas pueden verse fácilmente como intensos abrillantamientos repentinos de una región. En cierta forma, una ráfaga puede considerarse como una explosión, ya que en ella se liberan enormes cantidades de energía en tiempos que van de algunos minutos hasta varias horas. Esta energía se emite, principalmente, en forma de radiación electromagnética y partículas de muy alta energía, aunque en la localidad de la ráfaga también se observan desplazamientos de masa de la atmósfera solar baja. Las ráfagas se registran regularmente en una línea roja del hidrógeno (la línea Halpha) y las más energéticas suelen estar también acompañadas por la emisión de rayos X. En algunas ráfagas, se generan temperaturas superiores a los 100 millones de grados, las cuales son capaces de producir reacciones nucleares con la consiguiente emisión de radiación gamma. Las ráfagas ocurren, en general, en regiones específicas del Sol llamadas regiones activas, que están asociadas frecuentemente a las manchas solares, las cuales son regiones oscuras en el disco solar. La observación y registro de las manchas solares se ha llevado a cabo desde hace varios miles de años y desde el siglo XVII se inició en Europa un conteo sistemático de ellas. La vida de las manchas solares puede ser desde menos de un día hasta varios meses y su número, tamaño y posición varían cíclicamente, con un periodo promedio de alrededor de 11 años. La frecuencia de ocurrencia de las ráfagas solares está asociada con el número de manchas: cuando hay más manchas hay también más ráfagas, el Sol está más activo. Así es como se define lo que se conoce como el ciclo de 11 años de la actividad solar. La figura 1 muestra el promedio anual del número de manchas y la frecuencia anual de ocurrencia de ráfagas durante los tres últimos ciclos de actividad solar. En abril de 1996, se alcanzó el mínimo de manchas solares del ciclo 22 y actualmente el Sol se encuentra en su fase ascendente hacia el máximo 23 que se espera que ocurra entre 2000 y 2001.

Figura 1. Promedio anual del número de manchas (línea continua) y frecuencia
anual de ocurrencia de ráfagas (barras) durante los tres últimos ciclos de
actividad solar. Archivo: Silvia Bravo, IG-UNAM.


       El impacto de la actividad solar sobre el campo magnético de la Tierra fue reportado por primera vez por Carrington en 1857, quien estableció una relación entre una intensa ráfaga que observó en el Sol y perturbaciones magnéticas que ocurrieron en la Tierra horas después. Fenómenos como las auroras, que son despliegues móviles de cortinas de luz que se observan en los cielos nocturnos de las regiones cercanas a los polos, también están asociados con la actividad solar y las perturbaciones geomagnéticas. Durante la Primera Guerra Mundial, fue identificado, por primera vez, un bloqueo en las radiocomunicaciones producido por perturbaciones de nuestra ionosfera causadas por la actividad del Sol. Los efectos que la actividad solar causa a la tecnología de nuestro mundo moderno son muy variados. Primero, si la ráfaga envía cantidades importantes de radiación electromagnética de alta energía (ultravioleta y rayos X), aumentará el contenido de iones en la ionosfera y por consiguiente alterará las radio-comunicaciones y el campo magnético en la atmósfera y en la superficie de la Tierra. Esta radiación viaja del Sol a la Tierra en aproximadamente 8 minutos y es la primera manifestación que recibimos del evento solar. Si se emiten partículas energéticas, éstas pueden ser letales para astronautas que estén en misión fuera de la nave, pues ahí carecen de la protección de nuestra atmósfera. Estas partículas viajan con velocidades cercanas a la de la luz y llegan a la Tierra en menos de una hora. Ninguna de estas radiaciones alcanza la superficie de la Tierra en cantidades que pudieran preocuparnos.

       Asociadas a estas ráfagas (aunque a veces aun sin ellas) ocurrren eyecciones de inmensas nubes de material de la corona solar (la capa más alta de la atmósfera del Sol) que son lanzadas al espacio con velocidades de varios cientos y hasta más de mil kilómetros por segundo. A estos fenómenos se les llama eyecciones de masa coronal o EMC y su frecuencia de ocurrencia sigue también el ciclo de actividad del Sol. Como el material solar está casi totalmente ionizado, su conductividad eléctrica es muy alta y al moverse transporta consigo el campo magnético que se encuentra en su interior. Las nubes de gas magnetizado eyectadas en las EMC tardan entre 1 y 4 días en llegar a la Tierra y al llegar pueden producir alteraciones muy intensas de nuestro entorno magnético.

       Para entender esto es necesario describir la estructura del espacio entre el Sol y la Tierra. El medio interplanetario no está vacío, sino ocupado por la atmósfera solar que se encuentra en continua expansión. Esta expansión, que se lleva a cabo con velocidades de más de un millón de kilómetros por hora, constituye lo que llamamos el viento solar. El flujo del viento solar confina a los campos magnéticos de los planetas en cápsulas llamadas magnetosferas, las cuales tienen forma de cometa, redondeadas hacia el Sol y con una cola extendida en la dirección opuesta. La figura 2 muestra, esquemáticamente, la estructura de la magnetosfera de nuestro planeta. A la frontera que limita la extensión del campo geomagnético se le llama magnetopausa y se encuentra, en el lado día, a una distancia de unos 10-12 radios terrestres (RT). En condiciones normales, el viento solar no cruza la magnetopausa, sino que fluye alrededor de ella. El arribo de estas inmensas y veloces nubes de gas puede recorrer la posición de la magnetopausa, acercándola más a la Tierra. En ocasiones, la magnetopausa ha llegado a correrse hasta una distancia de 5 RT, la cual es menor que la distancia a la que se encuentra la órbita geoestacionaria (6.6 RT) donde hay una gran cantidad de satélites artificiales, muchos de ellos para telecomunicaciones. Uno de estos satélites, el Telstar 401, dejó de funcionar el pasado 11 de enero como resultado de una gran compresión de la magnetosfera que produjo la llegada de una nube muy veloz.
Figura 2. Representación esquemática de la estructura de la
magnetosfera de nuestro planeta. Archivo: Silvia Bravo, IG-UNAM.


       Cuando la nube de gas emitida por el Sol tiene un campo magnético en dirección adecuada para conectarse con el campo de la Tierra, esta conexión conduce partículas del viento solar al interior de la magnetosfera. En las regiones aurorales, las partículas se precipitan sobre la atmósfera superior, guiadas por las líneas de campo que ahí penetran. Esta precipitación aumenta considerablemente la densidad de iones en la ionosfera y establece sistemas de corrientes eléctricas muy intensas, las cuales alteran el campo magnético local. Las partículas que entran también ionizan los átomos de la atmósfera más baja y la captura de los electrones expulsados de los átomos en estas regiones produce despliegues de auroras muy dinámicas y brillantes. Como resultado de toda esta actividad, la atmósfera alta se calienta y se infla y pueden degradarse las trayectorias de los satelites que orbitan a baja altura.

       A latitudes más bajas, las partículas del viento solar no pueden penetrar muy cerca de la Tierra, pues son capturadas en las líneas del campo magnético que en estas regiones son muy horizontales. Las partículas capturadas giran alrededor de nuestro planeta, formando un anillo de corriente muy intensa a ambos lados del ecuador, a una distancia de algunos radios terrestres. El campo magnético inducido por esta corriente altera de manera muy importante el campo ambiente en la magnetosfera y en la superficie de la Tierra. Esta perturbación, que se precipita en algunas horas y tarda varios días en disiparse, es lo que se llamatormenta magnética o geomagnética. Durante una tormenta magnética, los aparatos, tanto de navegación como de exploración, que se orientan con base en el campo geomagnético, dejan de ser de utilidad y las variaciones del campo magnético inducen corrientes eléctricas en toda la atmósfera e incluso en el subsuelo. El calor disipado por estas corrientes puede producir daños cuantiosos en instalaciones eléctricas y estructuras metálicas.

Figura 3. Zona del hemisferio norte donde se
producen con más frecuencia las auroras y donde
los efectos de las perturbaciones geomagnéticas
son más intensos. Una zona semejante se encuentra
alrededor del polo sur. Archivo: Silvia Bravo IG-UNAM.


       Aunque una tormenta geomagnética es un fenómeno global, no se siente con igual intensidad en todas partes sobre la superficie de la Tierra. La figura 3 muestra la zona del hemisferio norte donde la afectación es más importante. Esta zona cubre Canadá, el norte de Estados Unidos y el norte de Europa y Asia. Una zona semejante se encuentra también alrededor del polo sur. Si la perturbación magnética es muy intensa, estas zonas pueden correrse hacia latitudes más bajas. En 1989, el año del pasado máximo solar, ocurrió una tormenta tan intensa que afectó parte de nuestro país y se observaron resplandores aurorales en Cancún.

Figura 4. Imagen del Sol obtenida en luz ultravioleta mostrando la ráfaga
del 7 de abril de 1997 que estuvo asociada con le eyección
de una nube de gas hacia la Tierra. Archivo: Silvia Bravo, IG-UNAM.


       Las pérdidas materiales en un año de Sol activo se estiman en varios cientos de miles de millones de dólares. Aunque esto no afecta a nuestra biosfera, el impacto sobre nuestra tecnología puede poner en serias dificultades e incluso peligros a nuestras sociedades modernas, tan dependientes de ella. La alarma emitida sobre la posible ocurrencia de una tormenta magnética el pasado 9 de abril, se debió a la observación de un ráfaga con rayos X que ocurrió el 7 de abril y que estuvo seguida por la emisión de una enorme EMC dirigida hacia la Tierra. El abrillantamiento de la ráfaga se muestra en la figura 4, que es una imagen del Sol obtenida en luz ultravioleta. La tormenta ocurrió en realidad hasta la noche del día 10 y no fue particularmente intensa. No se registraron daños de ningún tipo. Esto demuestra lo difícil que es, aún hoy, hacer buenas predicciones de la actividad geomagnética. En vísperas del máximo solar del 2000, existe un gran interés en la comunidad científica internacional por mejorar nuestra capacidad de alerta geomagnética y, en general, por mantener un constante monitoreo de lo que se ha denominado el estado del tiempo espacial (space weather). Actualmente, todos los paises de alta latitud norte y Australia cuentan con un Centro Regional de Alarma (RWC), cuya función es alertar en su región de la posible ocurrencia de una perturbación (estimando su tiempo de inicio, duración, intensidad y características particulares) y asesorar sobre las medidas a tomar para prevenir o mitigar posibles afectaciones. En estos RWC laboran también investigadores con el propósito de mejorar la capacidad de pronóstico del tiempo espacial con base en observaciones solares y la percepción remota de las perturbaciones del viento solar que viajan hacia la Tierra. La unión de los RWC constituye lo que se llama el Servicio Internacional del Ambiente Espacial (ISES), cuyos miembros se reúnen regularmente a intercambiar experiencias y definir estrategias.

       Aunque hasta ahora México ha quedado casi siempre fuera de la zona de mayor afectación, si la actividad del Sol sube, puede que ciertas regiones de nuestro país empiecen a sufrir también alteraciones y daños. Los ciclos de actividad solar no son siempre iguales. Hay máximos y mínimos más intensos que otros. De hecho, el Sol presenta periodos largos de hipoactividad e hiperactividad. En los ciclos de hipoactividad, los ciclos de manchas pueden desaparecer por varias décadas, como ocurrió durante los años 1645 a 1715 en el llamado mínimo de Maunder. En los periodos de hiperactividad, de los cuales no se ha registrado aún ninguno en tiempos históricos, la actividad solar sube hasta máximos muy intensos y el Sol está bastante activo incluso durante el mínimo. Algunos síntomas de los dos últimos ciclos sugieren que probablemente el Sol esté iniciando una fase de hiperactividad. Ante esta posibilidad, se han iniciado ya las pláticas para la firma de convenio de colaboración entre el Instituto de Geofísica de la UNAM (IGF-UNAM) y la Dirección General de Protección Civil del D.F. para establecer, también en nuestro país, un Centro Regional de Alarma que se incorpore al ISES. El IGF-UNAM cuenta con grupos de investigación en física solar, del medio interplanetario y magnetosférica, así como con un radiotelescopio solar, dos observatorios magnéticos y un radiobservatorio para detectar perturbaciones en el medio interplanetario que se encuentra en construcción. Con la formación de nuestro RWC y sus incorporación en el ISES podremos esperar con más tranquilidad los efectos de la actividad del Sol en el futuro.