Silvia Duhau
[Se publica sin
gráficos]
La actividad solar
afecta la temperatura atmosférica. Lo que está en disputa en algunos círculos
científicos es la magnitud del impacto. ¿Seguirá el calentamiento de la Tierra inexorablemente un
camino ascendente o comenzará una pequeña edad de hielo?
Impacto Ambiental
La cantidad de
energía solar que llega a la
Tierra afecta la temperatura atmosférica. A su vez, esta
energía depende de la actividad solar, cuya manifestación más conocida es la
cantidad de manchas que oscurecen temporalmente la superficie del Sol. Los
modelos de comportamiento del clima utilizan como única fuente de energía solar
la de radiación. Con el astrofísico holandés Cornelius de Jager hemos propuesto
que la actividad solar está regulada por el campo magnético del Sol; que este
campo magnético se deriva de las interacciones entre sus dos componentes y que,
hasta ahora, los modelos de clima han usado sólo una de ellas, la asociada con
la radiación, como modificadora de las variaciones de temperatura troposférica.
En 2009 analizamos
ambas componentes usando indicadores indirectos, o proxys, que nos permitiesen
suplir la ausencia de datos antiguos, anteriores al momento en que se empezaron
a hacer mediciones directas. Encontramos que existe una relación entre las
variaciones de la temperatura troposférica en la Tierra y los valores de
dichos componentes del campo magnético del Sol.
Estudiando el período
entre 1610 a 1995, descubrimos que la mencionada temperatura varía linealmente
a lo largo del tiempo, y que ese cambo lineal se superpone con algunos
episodios cuasirregulares de ascensos y descensos de ella, cuyas amplitudes
alcanzan hasta unos 0,3°C en más o en menos. Esta es la situación que vivimos
en tiempos actuales.
Sobre la base de esos análisis, concluimos con mi
colega que la amplitud del presente calentamiento global no difere
signifcativamente de otros episodios de calentamiento relativo que ocurrieron
siglos atrás. En otras palabras, el
calentamiento medido a partir la segunda mitad del siglo XX resulta de la
superposición de, por un lado, el calentamiento lento de la Tierra por el Sol que ha
venido sucediendo desde el llamado gran mínimo de Maunder de hace unos cuatrocientos
años, al que se superpone, por otro lado, un ascenso de tipo cuasi-regular de
temperatura.
Además, nuestro análisis nos llevó a predecir que se
avecina un nuevo gran mínimo en la actividad solar, el que, de verificarse
nuestras estimaciones, llevará a un descenso paulatino de la temperatura media
de nuestro planeta, de cuyo comienzo ya existen indicios iniciales.
El origen de la
actividad solar y su variabilidad
Las manchas solares
fueron el primer fenómeno variable en el tiempo que fue observado sobre el
disco de nues-tro Sol (figura 1). Galileo Galilei (1564-1642) las descubrió en
1609, tras haber inventado el telescopio. Por mu-cho tiempo se consideró que
era ocioso estudiarlas, pues su significado permaneció desconocido hasta
principios del siglo XX. Hoy los científicos saben que esas manchas reflejan la
variación de la actividad magnética solar, y que esta tiene múltiples
consecuencias en nuestro planeta y su atmósfera. El rastreo de su evolución
provee los registros más antiguos que se pueden asociar con esas consecuencias.
En 1843, después de
17 años de observaciones, el naturalista alemán Samuel Heinrich Schwabe
(1789-1875) concluyó que el número de manchas solares varía periódicamente. Fue
el primer indicio de que el Sol experimen-ta cambios cíclicos, los cuales
exhiben una periodicidad media de 11 años, mientras la longitud de cada ciclo
dura entre 9 y 13 años (figura 2). La amplitud y la longitud del ciclo
descubierto por Schwabe dan información sobre la intensidad y la frecuencia de
los fenómenos asociados con la actividad solar que afectan al clima y a la vida
sobre la Tierra. Por
estas razones, el primer paso para entender la variabilidad climática debida a
la activi-dad solar es encontrar cómo predecir en el largo plazo la intensidad
y la longitud de los ciclos de Schwabe.
Impacto Ambiental
Hasta el presente,
los intentos en esta dirección para lapsos mayores que tres a cinco años han
sido escasos. Para el largo plazo se necesita contar con una serie de
observaciones de las manchas solares que se extienda más allá de los 400 años
del registro histórico. En 1955, el físico inglés Derek Justin Schove
(1913-1980) logró reconstruir la sucesión de los máximos de las manchas solares
de cada ciclo de Schwabe para los últimos 1700 años. Se basó en diversos
registros, el más extenso de los cuales es de origen chino, iniciado con
propósitos astrológicos en el año 38 anterior a nuestra era.
De las regularidades
que encontró en la aparición de los máximos del ciclo de Schwabe, y del tiempo
transcurrido entre cada dos consecutivos de ellos, Schove predijo los
correspondientes a los ciclos 19 a 24 (triángulos viole-ta en la figura 2).
Aunque la fecha de efectiva ocurrencia difirió levemente de la estimada,
anticipó con acierto las fluctuaciones en la magnitud relativa del valor de los
máximos consecutivos, como lo muestra la reducción drástica desde el máximo del
ciclo 19 al 20, el ascenso del 20 al 21 y la reducción gradual del 21 al 23.
Este éxi-to de Schove en la predicción con hasta cinco ciclos de anticipación
de las fluctuaciones de los máximos núme-ros de manchas solares sugiere que las
fluctuaciones se originan en oscilaciones naturales del Sol.
¿Cómo entender la
naturaleza de esas oscilaciones? Junto con de Jager decidimos aplicar a los
datos una herra-mienta matemática llamada transformada de ondículas (Carlos
Cabrelli y Úrsula Molter, 'Una buena señal', Ciencia Hoy, 16, 95: 22-31),
creada en la década de 1980, que permite detectar oscilaciones transitorias en
las fluc-tuaciones de cualquier señal, en nuestro caso, en las de la actividad
solar. Con ella hicimos una predicción del número de manchas esperadas en los
próximos ciclos y concluimos que en un futuro no muy lejano acontecerá un nuevo
gran mínimo.
Campos magnéticos
polar y toroidal
En 1907 el astrónomo
norteamericano George Ellery Hale (1868-1938), fundador en 1904 del
observatorio de Mount Wilson, en California, descubrió que las manchas de las
que venimos hablando –que son zonas en la superficie solar que aparecen más
oscuras que sus inmediaciones– se deben a la acción de enormes campos
magnéticos que limitan la emisión de radiación. Para entender cómo logró
observar un campo magnético ubicado a 149 millones de kilómetros de distancia,
consideremos la materia que constituye el Sol. Su temperatura es tan elevada
que sus moléculas se disocian completamente en electrones e iones: están en el
cuarto estado de la materia, que se denomina plasma. Lo que vemos desde la Tierra es un desdoblamiento
en dos colores de la luz emitida por los electrones sujetos al campo magnético
de las manchas. Ese desdoblamiento fue descubierto por los físicos holandeses
Hendrick Antoon Lorentz (1853-1928) y Pieter Zeeman (1865-1943) veinte años
antes de que Hale construyese el espectroheliógrafo, instrumento con el que
obtuvo imágenes del Sol en bandas de color y midió el campo magnético por
primera vez.
Debido a que está
formado por partículas eléctricamente cargadas, el plasma es un excelente
conductor de electricidad. Igual que nuestros generadores mecánicos de ésta,
que producen corrientes eléctricas alternas mediante bobinas que rotan con
respecto a un campo magnético, el Sol tiene un sistema de movimientos del
plasma que amplifica el campo magnético. La energía contenida en el sistema de
corrientes y campos magné-ticos se pierde parcialmente por fricción entre las
partículas del plasma, pero una parte sustancial de ella sale despedida al
espacio.
En 1961, unos
cincuenta años después del descubrimiento de Hale, los norteamericanos Harold
Babcock (1882-1968) y su hijo Horace Babcock (1912-2003), también del
observatorio de Mount Wilson, observaron que este campo magnético solar tiene
dos componentes, uno polar, igual que el de una barra magnetizada, que se
alinea con el eje de rotación del Sol, y uno perpendicular a dicho eje, llamado
toroidal, porque la corriente que lo gene-ra forma un toroide de revolución, un
cuerpo geométrico similar a una rosca de Pascua. Ambos componentes invierten su
polaridad al final de cada ciclo de Schwabe de manera tal que un ciclo
magnético completo, llamado ciclo de Hale, dura el doble que uno de Schwabe, es
decir, en promedio unos 22 años (figura 3).
El inminente gran
mínimo solar
Existen mediciones
directas de los componentes del campo magnético del Sol solo desde hace unos
treinta años. Para estudiar el efecto sobre el clima de la Tierra de las fluctuaciones
de ambos componentes es necesa-rio contar con series temporales más extensas.
Para ello, debe recurrirse a los mencionados indicadores indirec-tos o
sustitutos. El número de manchas solares puede tomarse como una variable
sustituta del componente toroidal del campo magnético. Para el componente polar
definimos una variable sustituta a partir de una magni-tud introducida en 1976
por Pierre-Noël Mayaud (1923-2006), del Instituto de Física del Globo, de
París, deno-minada índice geomagnético aa. Este proviene de datos de las
variaciones del campo magnético terrestre obtenidos en cinco observatorios ubicados
cerca del ecuador y distribuidos alrededor de la Tierra. Es un buen
indicador porque existen observaciones continuas de las variaciones del campo
geomagnético desde 1844, 14 años después de que el matemático Carl Friedrich
Gauss (1777-1855) y el físico Wilhelm Weber (1804-1891), ambos alemanes,
inventaran el magnetómetro, con el que el primero midió el valor absoluto del
campo magnético terrestre, algo que no se había hecho antes.
En el mínimo de
actividad solar el campo toroidal llega a ser muy cercano a cero y la actividad
magnética terres-tre se debe básicamente al componente polar del campo
magnético solar, que alcanza en ese momento su am-plitud máxima. Teniendo en
cuenta este hecho, usamos con de Jager el valor del índice geomagnético aa
regis-trado en el momento de ocurrencia de cada mínimo de manchas solares como
variable sustituta de la intensidad del componente polar del campo magnético
del Sol. De esa manera determinamos el efecto de las oscilaciones naturales del
astro en dicho componente.
Tal como sucede con
el campo toroidal, el polar oscila alrededor de un valor que no cambia, que
llamamos el nivel de la transición y corresponde a un valor del índice
geomagnético de 10,34 nanoteslas (10-9 T; un Tesla equivale a 10.000 Gauss; el
campo magnético terrestre es aproximadamente de 0,5G). Las medidas directas del
campo polar indican que ese valor del índice geomagnético corresponde a un
campo polar de 120nT, lo que representa un 0,4% del campo geomagnético. El
campo magnético en el centro de una mancha solar es unas 300.000 millones de
veces mayor que el campo geomagnético, lo que da una idea de la enorme magnitud
del campo toroidal por comparación con el polar producido por los movimientos
internos del Sol.
Impacto Ambiental
Figura 2. El ciclo de
Schwabe. Promedio anual del número de manchas solares a lo largo de 400 años,
según datos del National Geophysical Data Center de la NASA (www.ngdc.noaa.gov). Los
máximos de cada ciclo se indican con estrellas. Los cuatro números en color
violeta a la derecha corresponden a la numeración convencional de los ciclos, y
los triángulos del mismo color son la predicción de 1955 de Derek Schove para
los máximos 19 a 24. El triángulo rojo y el azul reflejan otras dos
predicciones independientes, (realizadas respectivamente por Mausumi Dikpati y
sus colaboradores en el Jet Propulsion Laboratory, en Pasadena, y por la autora
de la nota y sus colegas de Holanda). Se aprecia la enorme disparidad en
estimar el máximo del ciclo 24. Nosotros encontra-mos que la actividad solar
oscila alrededor de un nivel invariante que denominamos nivel de 'transi-ción'
y que es de 93,4 manchas (línea horizontal verde). Las fluctuaciones en los
valores de los máximos alrededor del nivel de transición son la manifestación
de las oscilaciones naturales del Sol cuyas características cambian bruscamente
en cada 'transición de la fase'. Esta denominación obedece a que la
periodicidad de las oscilaciones naturales del Sol cambia su fase relativa al
cruzar este punto.
Desde 1610 ocurrieron
cuatro transiciones de fase en las fechas indicadas sobre las líneas negras
verticales. La oscilación natural del Sol que presenta la variación más
drástica en amplitud y periodicidad luego de una transi-ción de fase es el
ciclo de 'Gleissberg' (curva negra). Estos cambios en el ciclo de Gleissberg
son seguidos por sus cuasi-armónicos, produciéndose de esta forma la ocurrencia
de tres tipos distintos de episodios: gran míni-mo regular y gran máximo. La
letra D indica el mínimo de Dalton, que es un episodio corto de baja actividad
solar debido a una oscilación semi-secular natural del Sol. La predicción de
Dikpati y sus colaboradores se basa en un modelo computacional que contiene
parámetros calibrados para que dicho modelo retro-prediga correctamente los
ciclos anteriores, e incorpora los movimientos internos observados en el Sol
durante el ciclo de Schwabe pre-vio al que se quiere predecir. Este
procedimiento mimetiza necesariamente el comportamiento del gran máximo
contemporáneo, lo que explica por qué estos autores predicen un valor para el
máximo 24 tan grande como los prevalecientes en el siglo XX.
Episodios solares y
el clima global
Actualmente, todos
los modelos matemáticos de predicción del clima toman la radiación como la
única fuente de energía solar. Como esta varía poco con la actividad solar (la
radiación sólo ha variado en un 0,3% desde el mí-nimo de Maunder), da cuenta de
sólo un 40% del ascenso de la temperatura desde entonces. Nosotros sostenemos
que las variaciones en el clima provocadas por la actividad magnética solar se
relacionan directamente con la intensidad del campo magnético que resulta de
ella, y vemos que en el gran máximo contemporáneo este se duplicó con relación
a su valor medio durante el episodio regular previo a 1924.
Impacto Ambiental
Figura 3. El ciclo de
Hale del campo magnético solar. En azul los valores mensuales medios del
componente polar de dicho campo, obtenido de observaciones hechas entre 1975 y
2010 en el observatorio solar Wilcox (http://wso.stanford.edu). En rojo el
campo toroidal cuantifcado mediante el número de manchas solares (indicadas con
el signo de su polaridad en cada semiciclo de Hale). Cuando el campo polar pasa
por cero e invierte su signo, el campo toroidal llega a su máxima intensidad.
Se indica la numeración convencional de los últimos tres máximos de manchas
solares. Cuando estas pasan por cero, el campo polar es máximo y viceversa.
Impacto Ambiental
Figura 4. Diagrama de
fase de la modulación de amplitud del ciclo de Hale. Michael Lockwood, de la Universidad de Reading
en Inglaterra, nos proveyó de una nueva serie de tiempo homogeneizada del
índice geomagnético ´aa´ de la cual eliminamos las ondículas con períodos
menores a 17 años. Los puntos representan los valores anuales de los dos
componentes del campo magnético solar por el período 1880-1923 (verde) y el
1924-2009 (rojo), respectivamente. El primero corresponde a los últimos años
del período regular que comenzó en 1924 y el segundo al gran máximo
contemporáneo. La estrella violeta es el punto (10.34, 94.38) determinado por
los niveles de transición de las dos componentes.
Las mediciones de la
temperatura en la superficie de la
Tierra comenzaron en 1850. Para analizar el campo magnético
solar de forma similar extendimos la serie temporal al pasado usando las
variables sustitutas que definimos. El valor medio de la temperatura en
superficie en el hemisferio norte sufrió un aumento repentino en 1724,
inmediatamente después del mínimo de Maunder, y un cambio aún mayor luego de
1924 (fgura 5). Esto indica que las fuentes de energía solar capaz de producir
esos cambios son las que fluctúan drásticamente luego de una transición de fase
del Sol. El rápido ascenso ocurrido después de 1970 no estaría, aparentemente,
asociado con un fenómeno solar.
Los dos componentes
del campo magnético solar tienen efectos distintos. El polar condiciona la
intensidad del llamado viento solar, un flujo supersónico de plasma que hace de
escudo a los rayos cósmicos junto con el campo magnético terrestre. El flujo de
rayos cómicos que penetra en la atmósfera terrestre es mayor a menor actividad
solar y mayor en las zonas en que el componente horizontal (paralelo a la
superficie de la Tierra )
del campo geomagnético está debilitado. Ese flujo entrante de rayos cósmicos
podría tener influencia en la nubo-sidad de la atmósfera, la cual contribuye al
efecto invernadero, además de tener otras consecuencias.
Los cambios en la
intensidad del campo toroidal inciden en la frecuencia de las llamaradas
solares y en las eyec-ciones del plasma (figura 6), fenómenos que ocurren casi
siempre en forma simultánea. Ambos conducen a una variación considerable de la
emisión de rayos X y de radiación ultravioleta por parte del Sol, y a la
producción de partículas de gran energía que, al llegar a la atmósfera
terrestre, son afectadas por el campo geomagnético. Estas fuentes tienen una
función decisiva en la modificación del contenido total de ozono atmosférico
(figura 7), cuya variación también influye en el clima. Contribuyen, además, a
la forma que toma la circulación atmosférica global, particularmente la
frecuencia con que soplan vientos polares sobre latitudes medias. Finalmente,
influyen en la intensidad de las corrientes eléctricas que circulan entre las
capas superiores de la atmósfera y la superfi-cie terrestre, lo cual incide en
la cantidad y características de las lluvias.
Impacto Ambiental
Figura 5. La
variación anual de la temperatura media en el hemisferio norte durante los
últimos 400 años. Promedios anuales con respecto a un valor medio de 14ºC.
Desde 1850 los valores son mediciones termométricas; antes, estimaciones
realizadas sobre la base de anillos de crecimiento de árboles del hemisferio
norte. Las ondículas con períodos menores a los 17 años se han sustraído de las
series temporales. Este procedimiento elimina las oscilaciones naturales del
sistema climático y las debidas al ciclo de Schwabe, reteniendo solamente las
variaciones en la amplitud de dicho ciclo (las que se observan en la figura 4).
Las fechas de la ocurrencia de las cuatro transiciones solares (véase figura 2)
son las consignadas mediante los números que se encuentra encima de las líneas
negras verticales. Las líneas horizontales azules son el promedio de la
temperatura después de cada transición. Las proyecciones a partir de 2010 son
las del Panel Intergubernamental para el Cambio Climático (IPCC) para los
siguientes veinte años. En rojo para el caso en que las emisiones de gases de
efecto invernadero y aerosoles sigan aumentando al mismo ritmo de los últimos
50 años; en violeta para el caso en que se mantengan iguales a los niveles del
año 2000 (violeta).
Impacto Ambiental
Figura 6. El sistema
Sol (izquierda)-Tierra (derecha). Una eyección del plasma (la burbuja roja que
sale del Sol), y una llamarada (la zona brillante al lado de la burbuja). Las
curvas azules claras representan la dirección del campo geomagnético en cada
punto. Un flujo supersónico continuo de plasma, el viento solar, embiste la
atmósfera de la Tierra ,
y produce una onda de choque (línea violeta) que la confina dentro de la
magnetosfera (las líneas azules claras). El frente de la burbuja del plasma se
mueve como un tsunami gigantesco, comprimiendo la magnetosfera hasta cuatro
veces su tamaño medio. El campo geomagnético previene la entrada del plasma
solar a la atmósfera terrestre a excepción de partículas de alta energía. Los
protones entran solamente en el óvalo auroral (véase figura 7) mientras que los
electrones penetran en el arco sub-auroral y también en zonas donde la
componente horizontal del campo geomagnético es débil. El campo geomagnético
sufre enormes cambios en períodos geológicos, por lo que modula también estos
fenómenos. Imagen NASA/Steele Hill.
Impacto Ambiental
Figura 6. El sistema
Sol (izquierda)-Tierra (derecha). Una eyección del plasma (la burbuja roja que
sale del Sol), y una llamarada (la zona brillante al lado de la burbuja). Las
curvas azules claras representan la dirección del campo geomagnético en cada
punto. Un flujo supersónico continuo de plasma, el viento solar, embiste la
atmósfera de la Tierra ,
y produce una onda de choque (línea violeta) que la confina dentro de la
magnetosfera (las líneas azules claras). El frente de la burbuja del plasma se
mueve como un tsunami gigantesco, comprimiendo la magnetosfera hasta cuatro
veces su tamaño medio. El campo geomagnético previene la entrada del plasma
solar a la atmósfera terrestre a excepción de partículas de alta energía. Los
protones entran solamente en el óvalo auroral (véase figura 7) mientras que los
electrones penetran en el arco sub-auroral y también en zonas donde la componente
horizontal del campo geomagnético es débil. El campo geomagnético sufre enormes
cambios en períodos geológicos, por lo que modula también estos fenómenos.
Imagen NASA/Steele Hill.
La intensidad y la
frecuencia de las eyecciones solares de plasma aumentan en promedio con el
incremento del número de manchas, pero sus fluctuaciones no siguen
estrictamente las fluctuaciones en los máximos de las manchas solares. Así,
mientras que estas alcanzaron su máximo absoluto de los últimos 400 años en
1959, durante el ciclo 19 de Schwabe (indicado en la figura 2), las eyecciones
de plasma solar y las llamaradas fueron más frecuentes e intensas después del
ciclo 22. De Jager, el paleoecólogo Bas van Geel, de la Universidad de
Ámsterdam, y esta autora hemos llegado a la conclusión de que alrededor del año
2000 solo un 0,3% del aumento de la temperatura terrestre en los 50 años
precedentes se habría debido a factores distintos que los solares.
Epílogo
Predecir el clima
futuro es algo extremadamente complejo, como lo es predecir la evolución de
cualquier sistema descripto por ecuaciones matemáticas no lineales. Los modelos
computacionales del clima contienen numerosos parámetros cuyos valores no se
conocen con certeza. Dado que esos modelos incluyen como única fuente de energía
solar la radiación y hacen caso omiso de otras fuentes que han tenido aumentos
del orden del 100% en el último siglo, subestiman la contribución de la
actividad solar al calentamiento global. Un gran máximo similar al
contemporáneo ocurrió en el siglo XII y dio origen al llamado pequeño óptimo
climático, cuando las temperaturas cálidas permitieron que se colonizaran
Groenlandia e Islandia.
El Sol registra
actualmente escasa actividad. En 2003 ocurrió la explosión más grande observada
directamente. Produjo una llamarada enorme, con una energía dos trillones de
veces la liberada por la bomba de Hiroshima. Dos años más tarde emitió
nuevamente plasma que embistió la magnetosfera terrestre con una velocidad
45.000 veces la del sonido en la atmósfera. Esto, entre otras cosas, indica que
está en sus comienzos un nuevo gran mínimo similar al de Maunder, que abarcará
el siglo XXI. Durante aquel se registraron en Europa las temperaturas más bajas
de los últimos 400 años, y se congelaron ríos y canales navegables durante todo
el invierno. El episodio se conoce como pequeña edad del hielo.
Aparentemente, desde 2003 se están enfriando las
capas superiores de los océanos, que son el depósito más grande de calor del
sistema climático de la
Tierra. Los últimos inviernos en el hemisferio norte fueron
los más fríos de los últimos cien años. Si estas tendencias continúan por los
próximos veinte años, se habrá confirmado el papel crucial de la actividad
solar en los cambios climáticos.
LECTURAS SUGERIDAS
DE JAGER C & DUHAU S, 2010, 'The variable solar dynamo and the
forecast of solar activity. Influence in terrestrial surface temperature', en
Cossia J (ed.), Global Warming of the 21ths century, NOVA Science Publishers,
disponible (noviembre de 2011) en http://www.cdejager.com/wp-content/uploads/2008/09/2010-Variable-solar-dynamo3.pdf.
DEPETRIS J, 2010,
'Las ciencias de la tierra y el cambio climático global', Ciencia Hoy, 20, 117.
GRIBBIN J, 1994, El
clima del futuro, Biblioteca Científca Salvat.
ISLA FI, 2010, 'El
cambio climático global', Ciencia Hoy, 20, 117.
STENBORG G y ROVIRA
M, 2006, 'Una semana en el Sol', Ciencia Hoy, 16, 93.
Fuente: Mitos y
Fraudes
Estrucplan, 19-7-13
