Certezas e hipótesis sobre los ciclos solares: Capítulo I. Certezas sobre los ciclos solares.

Para analizar los ciclos de actividad solar, primero debemos recordar que la actividad que podemos observar en el sol viene determinada, fundamentalmente, por la rotación diferencial del material del que se compone el sol, o plasma,  que produce cambios en la configuración de los campos magnéticos solares cuya manifestación se traduce en ciclos en los que se alterna el volumen de actividad en cuanto a manchas solares, fulguraciones, eyecciones de masa coronal y tormentas geomagnéticas que afectan a nuestro planeta. Ahora lo detallamos.

En nuestra estrella la actividad solar se modula por ciclos que tienen una duración de 11 años aproximadamente, mitad de subida y mitad de bajada de actividad, por término medio. En los periodos en que el sol está en el máximo de su ciclo de actividad, hay más probabilidad de que se produzcan fenómenos solares más intensos y con mayor frecuencia.

¿De dónde saca el Sol su energía?

En el proceso de fusión nuclear que tiene lugar en las profundidades del núcleo solar, que origina la energía del Sol, hay una pérdida de masa del 0,7 %, que se convierte en energía tal y como expresa la conocida fórmula de Einstein: E=mc^2.

Cuando un gramo de hidrógeno se transforma por fusión nuclear en 0,993 gramos de helio, se liberan 50.000 kWh de energía. Esta energía se transmite primero por radiación dentro de una de las capas esféricas que forman nuestra estrella, la zona radiativa, de 400.000 km de grueso y después se transmite por convección a través de otra capa esférica que envuelve a la anterior, de 200.000 km, la zona convectiva.

El interior del Sol:

 

Esta capa de convección es como un fluido en ebullición: por esto el Sol muestra una superficie granulada en la fotosfera correspondiente a la cumbre de las células convectivas.

Esta estructura granulada cambia de forma rápidamente (como cambia la superficie del agua hirviendo) y cada gránulo se ve aparecer y desaparecer en diez o quince minutos. Con estas dos clases de transporte (radiación y convección) la energía producida en el núcleo solar ya puede escapar del Sol y radiar en todas direcciones.

Cabe destacar que aunque el Sol esté actualmente en el tiempo de mínima actividad, siguen produciéndose fenómenos pero suelen ser de menor intensidad y frecuencia. Recordemos que los fenómenos solares se producen entre la fotosfera (superficie solar), la cromosfera y la corona solar (atmósfera más externa del sol).

Las manchas solares como reflejo de la actividad solar.

La medición del desplazamiento de las manchas solares sobre el disco solar ha permitido deducir que el Sol tiene un periodo de rotación de aproximadamente 27 días. No todo el Sol gira a la misma velocidad, puesto que no es un cuerpo rígido, así en el Ecuador el periodo es de 25 días, a 40° de latitud es de 28 días y en los polos es aún mayor, hasta 34 días. A esto se le conoce como rotación diferencial. Además, también se da este efecto en profundidad: a mayor profundidad el material gira a mayor velocidad, cuestión que puede parecer anti intuitiva, ya que a mayor profundidad, mayor densidad, pero este efecto en profundidad está relacionado con la forma en que colapsó originariamente la nube de gas de la que se formaron tanto el sol como el propio sistema solar, así como con el modo en que se transporta el momento angular.

Heinrich Schwabe fue el primero que observó la variación cíclica del número de manchas solares entre 1826 y 1843 y llevó a Rudolf Wolf a hacer observaciones sistemáticas que comienzan en 1848. El número de Wolf es una expresión que combina manchas individuales y grupos de manchas y que permite tabular la actividad solar.

La aparición de manchas solares, la actividad magnética, y otros datos relacionados con estos fenómenos siguen un ciclo que dura 11 años (o ciclo de Schwabe, Henrich Schwabe, en 1843, descubrió que el número de manchas seguía un ciclo de unos diez años (realmente varía entre siete y quince años, con una media de 11,1 años).) en el que los polos magnéticos del sol se invierten, que son la mitad del ciclo magnético completo de 22 años (en el que los polos magnéticos solares harían una rotación completa hasta volver a situarse en su origen).

El ciclo actual empezó el mes de enero de 2008. En los últimos 11 años se han registrado unas  13.000 eyecciones coronales de masa y unas 21.000 fulguraciones solares.

El cómputo de la serie histórica de ciclos solares de aproximadamente 11 años de duración media arrancó en 1755. Actualmente nos encontramos en el Ciclo Solar 24, que comenzó oficialmente el 8 de enero de 2008.

Vamos a detallar a continuación el que podríamos llamar “modelo estándar del ciclo solar” o la explicación más común y tradicionalmente aceptada por la comunidad científica sobre cómo y porqué se producen los observados ciclos de actividad solar. Es la conocida como teoría dinamo.

La dinamo solar: el modelo de Badbock

La primera etapa [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 [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. (Efecto omega).

En la tercera etapa [3] cada punto donde las líneas de campo surgen (ya que el gas en una zona de concentración magnética tiene menor presión por lo que flota) a través de la superficie pueden producir una mancha solar (p) seguida de otra de polaridad opuesta (f), 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 [4] se produce una neutralización y reversión del campo magnético global del Sol (efecto alfa). 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 del antiguo campo en los polos, con un nuevo campo de polaridad opuesta.

Finalmente en la quinta etapa [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.

Así pues, principalmente existen dos formas del campo magnético solar. Por un lado la forma 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 forma toroidal, en la cual las líneas del campo magnético son paralelas al ecuador solar, y se encuentran en la misma latitud, según la gráfica siguiente.

Es decir, y tal como se observa en el esquema de la Figura de arriba, si partimos de una situación inicial en que se tienen las líneas de campo orientadas de norte a sur (que se correspondería a la situación de mínima actividad), el hecho de que el Sol presente una velocidad de rotación diferente en los polos que en el ecuador, consecuencia de no ser un cuerpo sólido sino gaseoso, da como resultado que mientras que en el ecuador se tiene un periodo de rotación de 24.47 días, en los polos este valor asciende hasta unos 34 días, lo que provoca que dichas líneas se vayan curvando (adelantando) en las regiones ecuatoriales, de tal forma que al cabo de los días las líneas de campo se encuentran prácticamente paralelas al ecuador, muy próximas, y con sentidos opuestos. (Efecto omega)

Y esto hace que dicha situación se vuelva inestable, puesto que las líneas de campo con sentidos opuestos tienden a repelerse, ocasionando que las líneas súbitamente se deformen y atraviesen la superficie solar (la fotosfera), tal y como se puede ver en la figura en una recreación simple, obteniendo que en una región de la superficie se obtengan líneas de campo salientes y en otra relativamente próxima entrantes.

Esta etapa descrita es la correspondiente a máximos de actividad, puesto que es cuando se forma un gran número de manchas solares, y es cuando las líneas de campo magnético se vuelven mucho más inestables. Después de este periodo, cuya máxima actividad suele durar un par de años, las líneas de campo se van estabilizando paulatinamente, bien porque varias líneas terminan por perderse hacia el espacio por lo que desaparecen, o bien porque se van “reconfigurando” entre sí las líneas existentes, (efecto alfa) volviendo así a una situación de mínima actividad en la que de nuevo se tiene un campo magnético orientado de norte a sur, aunque esta vez invertido respecto a la situación inicial, es decir, que se produce una inversión del campo magnético solar cada 11 años.

Animación del movimiento del flujo de plasma:

 

Otra forma de explicar la dinamo solar:

En la teoría Dinamo, en la que cabe prácticamente todo y cualquier idea que intente explicar dicho ciclo, por más peregrina que sea, es incluida. La más  extendida y aceptada bajo dicho nombre es la siguiente y se basa en el funcionamiento de la dinamo inventada por Faraday: un conductor eléctrico moviéndose en un campo magnético, produce una corriente eléctrica y al revés. Así, el disco metálico conductor que gira genera un campo magnético en el imán de la bobina, que hace que se induzca una corriente eléctrica en esta y dicha corriente genera un campo magnético en el disco, que le hace girar, este induce una corriente eléctrica en la bobina que genera un campo magnético, etc. Ese sería el ciclo “automantenido” en el sol.

 

Para explicarlo se postula a través de dos movimientos solares:

El movimiento o efecto Ω está relacionado con la rotación diferencial o el hecho de que el sol gire a diferentes velocidades en sus diferentes latitudes.

Por este efecto, se explicaría el aumento del campo magnético en las zonas ecuatoriales, ya que según los principios de conservación de la masa y del flujo magnético, al darse esa “elongación” causada por la mayor velocidad en el ecuador, el campo magnético en dicha zona aumentaría.

El sol puede funcionar como una dinamo ya que su materia es un plasma, es decir, partículas cargadas eléctricamente y que están en continuo movimiento en la zona de convección solar y al que hay que añadir el movimiento de rotación solar.

Efecto α:

Debido a los movimientos de convección del plasma en combinación de fuerzas de rotación por efecto Coriolis y otros como los movimientos ciclónicos propio de cualquier atmósfera, se producen bucles magnéticos, que sumados entre sí y añadidos al efecto Ω producen un efecto conjunto que sería responsable de la generación de los  componentes generales de los campos magnéticos que podemos observar en el sol.

 

Hay que dejar claro desde el principio que el ciclo solar no es algo de una precisión rigurosa, sino que es algo de lo que hablamos en promedio estadístico. Esos 11 años a los que siempre se alude como la duración del ciclo solar, son el tiempo medio en que el sol tarda en cambiar su polaridad magnética del polo norte al polo sur, con lo que el ciclo completo sería de 22 años. Pero además, debemos saber que hay ocasiones en las que la reversión se da a los 9 años y otras que se demora hasta pasados los trece años.

Registro de duración y características de los ciclos solares:

A veces es más intenso, a veces más débil e incluso hay épocas de decenios seguidos en los que no se ha dado ninguna actividad solar (medida primordialmente en el número de manchas en la superficie del sol). A todo eso hemos de añadir la actividad con asimetría de los polos Norte y Sur, por la cual, no se da a la vez la reversión de la polaridad magnética en ambos polos sino que puede darse en uno de los polos con hasta dos años de antelación respecto del opuesto.

A todo lo anterior, le sumamos el hecho de que el eje de rotación del Sol no está alineado con el plano de la eclíptica, es decir no es perfecta y permanentemente perpendicular a dicho plano.

El eje terrestre está inclinado 23º26′ y apunta hacia la estrella Polar, mientras que el eje de rotación solar está inclinado 7º15′ y se dirige hacia un punto de la constelación de Cefeo situado aproximadamente en 23h +77º.

La combinación de ambas inclinaciones provoca, a lo largo del año, una desviación del eje solar respecto a la dirección Norte-Sur y una inclinación del ecuador respecto a la visual. Quizás la mejor forma de apreciar estos efectos sea mediante una imagen y, por eso, reproducimos en la siguiente figura las diferentes orientaciones del disco solar en los 12 meses del año:

 

Finalmente, debemos tener en cuenta que parece que tampoco están alineados los ejes de rotación solar y el  eje de su campo magnético (como sabemos que sucede en nuestro propio planeta),

El campo magnético de la Tierra es como un imán de barra inclinado 11, 5 grados respecto al eje de rotación de la Tierra.

 

Así podemos hacernos una idea de lo complicado que resulta tener un modelo perfectamente ajustado a la realidad y que tenga en cuenta todos esos parámetros de  forma exacta y precisa para poder determinar cada ciclo solar en cuanto a duración, intensidad, actividad en cada uno de los hemisferios solares, etc…

 

La visualización inferior muestra la evolución del interior del campo magnético solar desde su configuración toroidal (panel meridional derecho) a la poloidal (panel meridional izquierdo).

 

Cerca del mínimo solar observamos estructuras de líneas de campos magnéticos relativamente simples y profundas.

Según el sistema avanza hacia el máximo de manchas, las líneas de campo en las regiones polares se vuelven mucho más retorcidas.

Regiones intensas del campo toroidal muestran líneas de campo arracimadas y comprimidas, por lo que se nos muestran como un cable en la imagen.

Conforme el ciclo se aproxima al mínimo, las líneas de campo están mucho menos amontonadas.

De nuevo cerca del máximo, las líneas de campo se comprimen en regiones de campos toroidales muy intensos

Otra vez en el mínimo solar, podemos observar profundas estructuras en los campos magnéticos  en latitudes medias.

 

El resumen del “modelo estándar del ciclo solar de 11 años”:

 

En conclusión, el ciclo solar tiene dos fases donde los campos magnéticos son indispensables para explicar todos los fenómenos observados en el sol: una primera en la que el campo magnético solar tiene una configuración poloidal, en la que el campo magnético es semejante al de la Tierra o al que acostumbramos a visualizar en cualquier imán con el polo Norte y el Sur separados, opuestos y bien definidos, saliendo de uno de los polos y cerrándose sobre el opuesto. Hay otra fase del ciclo en la que ese campo magnético se va “deshilachando” hasta convertirse en un campo toroidal –llamado así por el toro, o figura geométrica  con forma de anillo- en torno al ecuador solar, lo que es menos intuitivo ya que no acostumbramos a ver campos magnéticos con esta configuración habitualmente. Cuando tenemos esta fase es cuando en el Sol se está dando el máximo de actividad, momentos en los que aparecen más manchas solares y más extensas.

Cuando el campo magnético del Sol tiene una de estas dos configuraciones, hay algún efecto que provoca que se cambie al otro y esto se da continuamente, por lo que hablamos del ciclo solar. Cuando tiene configuración toroidal (o en forma de anillo) el efecto alfa lo cambia a configuración poloidal, y cuando el campo magnético tiene ese aspecto dipolar, el efecto omega, poco a poco lo cambia a configuración en forma de anillo o toroidal. A la oscilación de una configuración a la siguiente y su reinicio es a lo que se conoce como ciclo solar de 11 años.

Anotaciones:

El efecto omega se piensa que tiene relación directa con la rotación diferencial, esto es, el Sol no rota a la misma velocidad en el ecuador que en los polos. Esto se debe a que el Sol no es un cuerpo rígido sino una bola de plasma en la que en su ecuador tarda en completar una rotación alrededor de 26 días mientras que a los polos les lleva en torno a 34 días. E igualmente debemos sumar a esto la rotación diferencial en profundidad, en la que hemos podido constatar gracias a la técnica de la heliosismología, que la superficie solar rota más lentamente que su interior. El núcleo del sol rota más rápido que la superficie. Por contra intuitivo que esto parezca, es así debido a la forma en que colapsó originariamente la nebulosa de gases que dieron origen al Sol y finalmente al sistema solar y, además, a cómo se transporta el momento angular.  Este efecto omega está medido con muy buena precisión y desde hace mucho tiempo gracias a técnicas como la referida heliosismología y es el causante del cambio de configuración magnética de polar a toroidal.

El efecto alfa es un poco más complejo y no tan bien entendido ni tan fielmente identificado ni medido.  Se piensa que tiene relación con la circulación meridional, que es un flujo a gran escala del material solar (podemos asemejarlo a los flujos a escala planetaria de las masas de agua oceánicas en la Tierra) en el que hay un flujo subsuperficial, muy lento pero sostenido en el tiempo y que va del ecuador hacia los polos.  Se cree que ese flujo va arrastrando el campo magnético -que inicialmente es como un anillo alrededor del ecuador solar- hacia los polos del sol poco a poco, hasta que lo convierte en un campo magnético de carácter polar.

Hasta aquí, lo que podríamos considerar certezas o lo que se cree y es aceptado mayoritariamente como la explicación a los observados ciclos solares de aproximadamente 11 años.

Hacia el mínimo solar:

 

Fuentes:

Sirva la siguiente lista como mención a las fuentes de información utilizadas, tanto webs, organizaciones y personas en las que nos hemos apoyado, de las que nos hemos servido como apoyo didáctico y de una u otra forma, han colaborado para la elaboración de este texto, así como por el enriquecimiento tanto formativo como personal y  humano. Por todo ello, también nuestro más sincero y caluroso agradecimiento a todos.

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