El ciclo solar 24 ¿Realmente es tan activo como algunos anuncian? Hablemos un poco del Sol

En la imagen podéis ver el impresionante grupo solar #1726. La imagen ha sido tomada a las 19:20 horas con un Solarscope y usando la cámara del móvil. Se estima un tamaño para el grupo de 150.000 kilómetros, y actualmente las probabilidades de erupciones solares en este grupo son de clase X un 13%, de clase M un 41% y de clase C un 54%.

Recordemos que la clasificación usada para las erupciones solares, se realiza en base al valor máximo del flujo en rayos X (de 100 a 800 nm) que se detecta y se mide en W/m2. Las categorías, de menor a mayor intensidad, son A, B, C, M y X. Cada categoría es 10 veces mas intensa que la anterior. Pero además tiene otro índice, un número entre 1 y 9 que indica a su vez, dentro de la misma clase, la diferencia de intensidad. De este modo, una erupción de clase B1 es 10 veces más intensa que una A1, y una X5 es 4 veces más intensa que una X1. Las erupciones más habituales son las de categoría A, B y C. Las erupciones de categoría M y en particular las X son muy intensas, y generalmente tienen efectos en el entorno espacial de la Tierra). Por ejemplo, una erupción solar de clase X1 tiene una potencia de 0,0001 W/m2. Sin embargo se han llegado a medir de hasta categoría X28 (0,0028 W/m2) y se sospecha que hasta X45 (0,0045 W/m2).

Algunos medios han presentado a dicha mancha solar como algo totalmente fuera de lo normal y dando “mucho bombo y platillo”, cuando la realidad, es que si bien estos grupos no son visibles todos los días, tampoco son algo excepcional durante el máximo solar. Todo esto está muy relacionado con el mensaje apocalíptico que en muchos lugares se  está lanzando constantemente sobre la llegada del máximo del ciclo solar 24. La realidad es bastante diferente, si bien es cierto que una tormenta magnética podría causar serios trastornos en nuestras telecomunicaciones y sistemas -y para lo que poco a poco el estudio del clima espacial y la heliofísica ayuda a anticiparse a la ocurrencia de tormentas magnéticas-. En la segunda imagen se puede ver una fotografía sacada del Sol en Junio de 1991, dos ciclos solares atrás. Como se puede ver, el grupo es tan extenso al que podemos observar hoy.

Es más, el ciclo 24 está siendo “flojo” y su actividad es mucho más bajo que el anterior, como se puede ver en el gráfico de evolución del ciclo solar. La actividad hasta el momento es bastante menor y no está claro si ya hemos alcanzado el máximo, pero son muchos expertos los que apuntan que este ciclo poco más dará. Vamos a profundizar un poco en conocer como funciona nuestra estrella…

La dinamo solar

Uno de los modelos que explica el ciclo de actividad solar se denomina dinamo solar. Se trata del proceso que produce cambios en el campo magnético interno del Sol. El Sol no rota como un sólido rígido y [simplificando] el plasma que forma el Sol rota más lentamente cerca de los polos. Consecuencia: el ecuador rota más rápido que en latitudes superiores. Así por ejemplo una rotación completa en el ecuador dura 25 días, a 40º de latitud dura 27 días y a 70º dura 30 días.

Principalmente existen dos formas del campo magnético solar. Por un lado la Poloidal, cuyas líneas emergen cerca de un polo y descienden hasta cerca del opuesto. Los puntos a lo largo de cada línea de campo magnético están en la misma longitud. Por otro lado la toroidal, en la cual las líneas del campo magnético son paralelas al ecuador solar, y se encuentran en la misma latitud.

Para explicar la dinamo solar existen diversos modelos, pero el más aceptado es el llamado modelo de Babcock. El modelo de Babcock intenta explicar el ciclo magnético solar, la generación de regiones activas, los campos magnéticos, la ley de Hale y la ley de Spörer. Para ello establece 5 etapas. Si bien es muy útil este modelo, se podría considerar más sencillo de lo deseable. En la cabecera del post se puede ver un gráfico de dichas etapas.

La primera etapa [figura 1] ocurre 3 años antes de comenzar un nuevo ciclo de manchas solares. El campo magnético solar es débil y de tipo poloidal, naciendo en latitudes superiores a los 53º y con unas líneas de campo que se extienden más allá incluso de la corona.

En la segunda etapa [figura 2] el campo magnético se intensifica a media que las líneas de campo son retorcidas por la rotación diferencial. Las líneas se extienden más en dirección este-oeste, y en latitudes inferiores las líneas de campo pasan a ser de tipo toroidal.

En la tercera etapa [figura 3] cada punto donde las líneas de campo surgen a través de la superficie pueden producir una mancha solar seguida de otra de polaridad opuesta, formando un grupo. Como el campo magnético se invierte en el ecuador, las manchas adelantadas de los grupos tendrán polaridad magnética opuesta en cada hemisferio solar: si la mancha adelantada de un grupo en el hemisferio norte tiene polaridad positiva, en el hemisferio sur, la mancha adelantada de un grupo tendrá polaridad negativa. Esto es conocido como la ley de Hale de la polaridad.

En la cuarta etapa [figura 4] se produce una neutralización y reversión del campo magnético global del Sol. Por la ley de Joy, las manchas atrasadas en los grupos están en latitudes más altas que las adelantadas. Entonces ocurre que la polaridad de las manchas atrasadas de los grupos se cancela con la polaridad del polo, mientras que la polaridad de las manchas avanzadas de los grupos se cancela con la polaridad existente en el ecuador. Este proceso causa un cambio de antiguo campo en los polos con una nuevo campo de polaridad opuesta.

Finalmente en la quinta etapa [figura 5], aproximadamente 11 años después de la primera etapa, hay presente un campo magnético invertido, volviendo a comenzarse por la etapa primera un nuevo ciclo.

La estructura de nuestra estrella

El Sol, al igual que el resto de astros se puede ir dividiendo en capas a medida que vamos del centro del cuerpo hacia el exterior.

Núcleo donde se fusiona el hidrógeno

Esta zona abarca hasta 0,25 radios solares y, un 1,6% de su volumen y el 35% de la masa total. El centro del Sol consiste principalmente en plasma comprimido a altas densidades, con presiones de hasta 340.000.000.000 bares y temperaturas de 15.500.000 K. En estos extremos, el hidrógeno se fusiona en un proceso nuclear generando energía en grandes cantidades.

Zona Radiativa

Situada entre 0,25 radios solares y 0,7 radios solares, en esta zona el plasma es aún tan denso, que la energía que procede el núcleo es continuamente reabsorvida y reemitida, mediante el fenómeno conocido como difusión radiativa y, a estas energías, los fotones se consideran que actúan como partículas. De media, son reemitidos en direcciones aleatorias pero tienden hacia zonas menos densas, de modo que se van aproximando hacia la superficie, aunque les lleva 170.000 años lograr alcanzar la siguiente capa exterior. De hecho, son reabsorvidos y reemitidos tantas veces que la luz que nos llega no “porta” información del interior solar.

Zona Convectiva

A 0,7 radios solares muchos protones y electrones pueden recombinarse en átomos de hidrógeno. La energía procedente de la zona Radiativa es convertida en energía cinética en las partículas de plasma. Desde este punto la energía es transportadas al exterior por convección (por ejemplo, ascenso y descenso de flujos en fluidos calientes). En 10 días este plasma alcanza la superficie y puede enfriarse liberando radiación magnética. Esta convección se transporta en celdas llamadas celdas de convección, cuya manifestación en la superficie es el llamado gránulo. Estos gránulos tienen unos 1.000 kms y las regiones exteriores son más frías que las interiores, provocando una diferencia en brillo, visible por telescopios desde la Tierra.

Superficie Solar

La superficie solar es definida como la superficie que separa el interior y la atmósfera solar. Esto es algo ambiguo pudiendo dar problemas para establecer un punto claro. A 696.000 kms del centro, el plasma se vuelve muy poco denso de modo que los fotones en la región visible del espectro pueden escapar. Por tanto, como definición exacta de superficie solar se determina que ésta es la capa en la cual la luz visible, a 500 nm puede escapar. Por lo tanto a diferentes longitudes de onda, el diámetro solar cambia. Con la definición dada, el diámetro solar coincide con el visible. La superficie se encuentra a unos 5.800 K.

Fotosfera

Es la primera capa de la atmósfera solar, que va de los 400 a 500 kms. Aquí continúa el proceso de convección y varía la temperatura de 6.200 K a 4.400 K. Es la capa de la que prácticamente vemos toda la luz solar.

Cromosfera

Región tenue e irregular coloreada de rosa y visible durante los eclipses solares. La estructura irregular es generada por los jets de gases ascendentes del Sol en forma de las llamadas espículas (chorros de gas de la cromosfera que ascienden miles de kilómetros por encima de la superficie para caer después de un intervalo corto de tiempo). En esta región la temperatura sube de 4.400 K a los 25.000 K a 2000 km de altura.

Región de Transición

Región de 30 kms en la cual la energía cinética de la cromosfera es transformada en calor. El mecanismo aún no está claro.

Corona Solar

Es la capa más externa. Se denomina así porque en los eclipses aparece como una corona. Se extiende varios millones de kms, hasta donde nace el llamado viento solar. Desde la región de transición hasta los 30.000 kms sobre la superficie, aumenta la temperatura de 25.000 K hasta ¡los 2.000.000 K! También es un mecanismo desconocido pero probablemente este relacionado con el intenso campo magnético solar. El gas de la corona se vuelve mas tenue y los fotones transportan bastante energía, haciendo más difícil que estos sean visibles.

Los CMEs

Un CME es básicamente materia (plasma) emitida a través de la corona solar al espacio y su existencia fue descubierta gracias a observaciones desde el espacio. Ocurren a lo largo de todo el ciclo solar: si bien durante el mínimo su frecuencia es de sólo uno por semana, durante el máximo pueden ocurrir dos o tres al día. Otra característica de este fenómeno es la latitud solar a la que ocurren. Así, mientras en el mínimo suelen originarse cerca del ecuador, durante el máximo pueden ocurrir también en latitudes más altas.

Tal y como hemos comentado antes, las erupciones solares tienen una clasificación compuesta por una letra y un número, por ejemplo X8. Esta clasificación se realiza en base al valor máximo del flujo en rayos X (de 100 a 800 nanómetros)  que se detecta, y se mide en vatios por metro cuadrado. Las categorías, de menor a mayor intensidad, son A, B, C, M y X.

Los CMEs, dado que pueden ocurrir en cualquier dirección espacial, en ocasiones dicha dirección está alineada con la Tierra. Viajan por el espacio a velocidades de incluso 2.000 kilómetros por segundo y colisionan contra la magnetosfera terrestre, creando tormentas magnéticas. Dado que los CMEs emiten principalmente protones altamente energéticos, la exposición a los mismos es peligrosa, y por lo tanto, las consecuencias pueden ser peligrosas para satélites en órbita o llegar a las partes mas altas de la atmósfera afectando a las telecomunicaciones (En concreto los CMEs de clase X). En casos muy extremos podría llegar a la superficie (principalmente en regiones nórdicas) y causar el equivalente a un pulso electromagnético, pudiendo destrozar instalaciones eléctricas. Todo esto dependerá de la intensidad del CME y del estado de la magnetosfera terrestre, que normalmente se extiende hasta diez radios terrestres (si bien esto es un promedio y dado que el campo magnético terrestre se invierte, se sabe que en el pasado la magnetosfera fue más débil que en la actualidad). En 1859 se cree que un CME de gran magnitud alcanzó la Tierra ocasionando graves daños al sistema telegráfico de la época y permitiendo la observación de auroras boreales desde latitudes inusuales. Otros CMEs más recientes y de gran intensidad han ocurrido en 1989 (Clase X20), 2001 (Clase X20) y en 2003 (Clase X28).

El Sol, la vida y la entropía

Es común pensar, que la vida en la Tierra es gracias a la energía que recibimos del Sol. Sin embargo, esto no es del todo cierto: la energía que recibe la Tierra es aproximadamente la misma que radia al espacio. En caso contrario la Tierra se calentaría hasta que alcanzase un equilibrio térmico, el cual no sería compatible con la vida tal y como la conocemos. El verdadero “motor” de la vida es la llamada entropía.

La entropía es una magnitud física cuya formulación fue realizada por Lord Kelvin en 1851 y que está ligada a la termodinámica. La entropía, que básicamente expresa el grado de orden de un sistema, mediante el denominado segundo principio termodinámico establece que en cualquier proceso termodinámico, la entropía de un conjunto de sistemas que interaccionan aumentará o se mantendrá constante: nunca se reducirá. Según la formulación debida a Boltzmann:
       S = k ln(V)
se establece que el valor de la entropía (S) equivale a multiplicar la constante de Boltzmann por el logaritmo del volumen del espacio de fases. Sea el grado de libertad los números cuánticos necesarios para determinar completamente un microestado en un sistema, se define el espacio de fases como un espacio multidimensional en el cual a cada punto le corresponde un microestado del sistema. Si existen f grados de libertad, entonces habrá 2f dimensiones, correpondientes a f coordenadas de posición y f coordenadas de momento.

Usando un ejemplo típico, un huevo encima de la mesa es un estado extraordinariamente ordenado, y por tanto de muy baja entropía. Supongamos que el travieso gato Johnsy se sube a la mesa, mueve el huevo, éste cae al suelo y se rompe, pasa a un estado muy desordenado, y por tanto de mayor entropía. El proceso inverso, es irreversible, pues es una situación altamente improbable que además viola el segundo principio de la termodinámica, al ser un proceso que evoluciona de una entropía superior a otra menor. La vida es un sistema extremadamente organizado y por tanto de una entropía muy baja. Ahora la pregunta es como es posible dicha situación, pues debe haber evolucionado desde estados de entropía aún menor (y por tanto más organizados aún). Así la vida, debe respetar dos principios: el de conservación de la energía y el segundo principio de la termodinámica.

La fuente que buscamos de entropía es realmente nuestro Sol. Lo que permite la existencia de la vida es que el Sol es más caliente que el espacio oscuro. Recibimos fotones de una frecuencia mayor a los fotones que la Tierra devuelve al espacio. Los fotones que recibimos, al ser de mayor frecuencia, tienen más energía (Según la formulación de Planck: E=hf). Esto provoca que para emitir al espacio la misma energía que recibimos necesitamos emitir al espacio más fotones que los que recibimos. La consecuencia de esto, como explicamos al comienzo, existen más grados de libertad en el sistema, y por lo tanto el volumen del espacio de fases será mayor que el correspondiente a la energía que recibimos. Evidentemente al tener un volumen del espacio de fases mayor, de acuerdo con la formulación de Boltzmann, la entropía es muy superior en la energía que radiamos al espacio que la que recibimos del Sol.