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Demuestran la relación entre periodicidades
observadas en el flujo magnético del Sol, las
manchas solares y las fulguraciones
En colaboración con el grupo de Oceanografía del IMEDA, el grupo de
Física Solar de la UIB, ensaya una metodología sin precedentes para
describir matemáticamente el ciclo solar, aplicando la teoría de la
selección natural. Por otra parte, analiza las frecuencias de oscilación de
las protuberancias y bucles de la corona del Sol con el objeto de
conocer sus características
PALABRAS CLAVE:
Sol, manchas
solares,
fulguraciones, flujo
magnético,
oscilaciones
KEYWORDS:
Sun, sunspots,
flares, magnetic
flux, oscillations
Las eyecciones
de masa coronal
y las
fulguraciones
solares afectan a
la Tierra y al
resto del Sistema
Solar. Imagen
del consorcio
SOHO (ESA y
NASA).
Resumen: Dos líneas de investigación centran los
investigación del grupo de Física Solar de la UIB,
esfuerzos del grupo de Física Solar de la UIB: la
dirigido por el doctor Josep Lluís Ballester e integrado
actividad del Sol y la magneto-hidrodinámica. En la
por los doctores Marc Carbonell, Ramon Oliver, Jaume
primera, los investigadores han mostrado la
Terradas y Antoni Díaz. Hablar del estudio de la
interrelación entre la emergencia del flujo magnético
actividad solar es hablar del estudio de un buen
de la estrella con un subciclo de aproximadamente
número de fenómenos que la caracterizan: las
cinco meses en el caso de las fulguraciones asociadas
manchas solares, las fulguraciones y las eyecciones
a grupos de manchas solares.
de masa de la corona solar. Pocas son las personas
que no hayan oído hablar en alguna ocasión de las
manchas y del viento solar. Las eyecciones de masa
Las manchas solares y las fulguraciones
coronal y las fulguraciones solares afectan
directamente a la Tierra y al resto del Sistema Solar.
El estudio de la actividad solar centra parte de la
En el caso de nuestro planeta, provocan tormentas
Las tormentas
magnéticas
provocan
perturbaciones
en la ionosfera
de la Tierra y,
además de
poder provocar
fallos en el
suministro
eléctrico, son
todo un
espectáculo en
el cielo nocturno.
En la imagen del
consorcio SOHO
se recrea el
efecto de estas
tormentas y
cómo, a veces,
son visibles
desde la Tierra.
magnéticas, perturbaciones de la ionosfera que
concretamente, en el estudio del máximo que tuvo
pueden interrumpir las comunicaciones, dañar los
lugar durante el ciclo, en 1981. De eso hace ya dos
satélites, dejar inservibles los equipos de navegación y
ciclos solares ya que en estos momentos estamos en
provocar fallas en el suministro eléctrico.
pleno ciclo 23. Fue en el estudio del ciclo 21 cuando
El estudio de la actividad solar, sin embargo, no sólo
observaron que las fulguraciones más energéticas,
responde a la necesidad de predecir estos fenómenos,
grandes explosiones con enorme emisión de energía,
sino también a la investigación básica: saber, en
asociadas a manchas solares, presentaban periodos
definitiva, cómo funciona una estrella. El Sol es la
de unos cinco meses. Los investigadores detectaron
estrella que tenemos más cerca y también puede
así que, inmerso en el ciclo solar de once años, se
arrojar mucha luz en cuanto al conocimiento del resto
producía un segundo ciclo de fulguraciones asociadas
de estrellas.
a manchas solares. La duración temporal de este
subciclo era de entre 150 y 158 días.
Hace muchos años que los físicos vigilan las manchas
Como consecuencia de la labor llevada a cabo por los
solares, cuyo número varía a lo largo del tiempo. De
doctores Ballester y Oliver, junto con F. Baudin, un
hecho, la variación en el número de manchas es la
postdoctorado de la Universdad de Harvard que
base en la que se fundamenta el llamado ciclo solar:
realizaba una estancia en la UIB, publicaron en 1998
un periodo de once años en el que el número de
en la revista Nature un articulo publicado "Emergence
manchas parte de un mínimo, alcanza un máximo y
of magnetic flux on the Sun as the cause of a 158-day
vuelve a decrecer. El último de estos "mínimos" se
periodicity in sunspot areas" en el que se describía
produjo a finales de 1996. A partir de esa fecha el
por primera vez la interrelación entre el flujo
número de manchas solares fue incrementándose
magnético, las manchas solares y las fulguraciones.
hasta alcanzar un máximo durante el verano de 2001.
Este trabajo proponía por primera vez una hipótesis
En la actualidad (2004) el número de manchas solares
para explicar estos fenómenos de la actividad solar.
va descendiendo.
El Sol, de dentro hacia fuera
Hace ya unos años que los investigadores de la UIB
centraron su atención en el ciclo 21 y, más
Antes de entrar en materia convendría, sin embargo,
detenerse en una sucinta descripción de nuestra
La fotosfera
principal fuente de energía. 4.500 millones de años
La llamada superficie del Sol es la fotosfera. Es en
parecer ser la edad del Sol, pero todavía posee
realidad la capa inferior de la atmósfera. Se encuentra
combustible para 5.000 millones de años más. Lo que
a unos 6.000 grados C, a una temperatura por tanto
sucederá después supondrá la destrucción de la
mucho más baja que la del núcleo. En esta capa se
propia Tierra. El Sol empezara a crecer hasta
encuentran las manchas solares, todavía un poco más
convertirse en una "gigante roja". Posteriormente,
frías (sobre los 4.000 grados C).
eyectará sus capas más externas y se convertirá en lo
que los astrofísicos llaman una "enana blanca".
La cromosfera
Entonces empezará a enfriarse.
A continuación se sitúa la cromosfera. Esta capa
solamente es observable durante un eclipse o con la
El núcleo
ayuda de filtros.
En el núcleo del Sol el hidrógeno se transforma en
helio por medio de un proceso de fusión nuclear (se
La corona
unen cuatro protones para formar una partícula alfa o
Finalmente, la capa más exterior de la atmósfera solar
núcleo de helio). La fusión nuclear se produce por la
es conocida como la corona en la que la temperatura
altísima presión y las elevadas temperaturas (15
alcanza millones de grados C. En ella se forman las
millones de grados C). En este proceso el Sol pierde 4
protuberancias, los bucles, los agujeros coronales y
millones de toneladas de masa cada segundo. Una
tienen lugar las eyecciones de masa coronal. Las
partícula alfa tiene menos masa que cuatro protones,
protuberancias son grandes masas de gas que pueden
con lo que la diferencia se presenta en forma de
alcanzar una longitud de 100.000 kilómetros con
energía, la que nos llega a la Tierra.
temperaturas de unos 10.000 grados C y una gran
Las capas del
Sol. Las
manchas solares
se hallan en la
fotosfera. Imagen
de elaboración
propia sobre otra
original del
consorcio SOHO.
densidad. Imaginemos el Sol, por tanto, como una
Sol serían imposibles en la Tierra, entre otras razones
enorme masa de gases muy calientes, hidrógeno,
por la corteza sólida terrestre. Debemos tener en
helio y otros elementos químicos en menor
cuenta que si el campo magnético terrestre capaz de
abundancia; una enorme masa ionizada. Lo podemos
orientar una brújula tiene una intensidad de medio
imaginar girando sobre su eje (con un periodo de
Gauss, el campo magnético que atraviesa la fotosfera
rotación que se sitúa entre los 25 y los 32 días,
del Sol y se manifiesta en las manchas solares tiene
dependiendo de la profundidad del punto que
una intensidad de 3.000 Gauss, siendo el diámetro de
tomemos como referencia). Esta "extraña" rotación,
una de estas manchas cinco veces el diámetro de la
diferente según la latitud y la profundidad, genera una
Tierra (valores típicos).
enorme cantidad de campos magnéticos que viajan
hacia la superficie, la fotosfera. Entonces, cuando
estos campos magnéticos atraviesan la fotosfera se
generan las manchas solares. Como afirma el doctor
Ramon Oliver, "las manchas solares no son sino la
consecuencia de la emergencia del campo magnético
Las manchas solares son
consecuencia de la emergencia del
flujo magnético solar. Aparecen más
oscuras porque su temperatura es
inferior a la del entorno
solar".
Manchas solares
registradas por el
satélite SOHO y
su
correspondiente
imagen
aumentada. El
círculo negro que
aparece en la
parte inferior
correspone al
tamaño de la
Tierra a efectos
comparativos.
Para establecer una analogía que nos permita
El flujo magnético
visualizar el fenómeno de las manchas solares
podemos acudir al clásico imán. Es sabido que un
Es necesario conocer algunos datos sobre las
imán tiene dos polos magnéticos. Tenemos que
dimensiones y la fuerza de los campos magnéticos del
imaginar una mancha solar como uno de esos polos
Sol para saber de qué hablamos. La comparación con
del imán. En realidad, las manchas se presentan en
la Tierra nos ayudará: nuestro planeta tiene un campo
parejas de manera que los polos magnéticos de cada
magnético cuyos polos coinciden más o menos con los
miembro de la pareja señalan polos opuestos. La
polos geográficos. Campos magnéticos como los del
fotosfera del Sol, por tanto, está repleta de polos
positivos y polos negativos que se visualizan en las
manchas solares que aparecen más oscuras por estar
más frías que su entorno.
De hecho, es el campo magnético el responsable de
que las manchas solares estén más frías. ¿Por qué?
Cerca de de la superficie del Sol existe una zona,
llamada convectiva porque en ella asciende el gas
calentado que al llegar a la superficie se enfría y
vuelve a descender. Esta circulación, sin embargo,
queda interrumpida en presencia de un campo
magnético intenso. Por esta razón las manchas están
a una temperatura menor que su entorno y, por tanto,
aparecen como zonas menos brillantes.
Esta emergencia del campo magnético solar puede
presentarse de diversas formas. O bien lo hace en
mitad de grupos de manchas o fuera de ellas. En el
primer caso coincide con la formación de fulguraciones
muy energéticas. En el segundo caso, las
fulguraciones no son tan energéticas. La causa final
de las fulguraciones muy energéticas sería por tanto la
creación previa de estructuras magnéticas
complicadas. Lo que los investigadores del grupo de
Física Solar de la UIB consiguieron relacionar fue la
producción de estas grandes fulguraciones con el
crecimiento de las manchas solares en subciclos antes
nunca detectados, de entre 150 y 158 días, e incluidos
dentro de los ciclos solares conocidos de once años.
Esta era la primera vez que gracias a la técnica de
onditas (wavelets; una tècnica de cálculo estadístico)
se pudo relacionar la periodicidad del flujo magnético
con las manchas solares y la periodicidad de las
fulguraciones.
La investigación en esta línea no se ha detenido.
Después de establecer aquella primera correlación, el
grupo de Física Solar ha profundizado en el
conocimiento de estos fenómenos de la actividad
solar. Uno de los objetivos es llegar a poder predecir
las grandes fulguraciones a partir de la emergencia de
flujo magnético. La tarea no es fácil ya que el Sol
continuamente da sorpresas. Como afirma el doctor
Oliver, "el 4 de noviembre de 2003 se produjeron en el
Sol las fulguraciones más intensas de los últimos 30
años y eso que el ciclo solar estaba en fase
descendente".
Es evidente que hoy se cuenta con medios técnicos
muy importantes a la hora de prevenir la llegada de las
eyecciones de masa coronal. El satélite SOHO es una
prueba de ello. Sin embargo, no es lo mismo poder
"avisar" a la Tierra de que se está produciendo una
fulguración solar y una eyección de masa, que poderla
predecir antes de que se produzca. En cualquier caso,
los resultados obtenidos por el grupo de Física Solar
de la UIB sobre el ciclo 21 y el establecimiento de un
subciclo de 150-158 días para las fulguraciones
asociadas a las manchas solares han sido
confirmados por estudios posteriores centrados en el
ciclo solar actual, el número 23. Curiosamente, aunque
la periodicidad de ~155 días ha vuelto a aparecer, lo
ha hecho sólo en el flujo magnético, pero no en las
fulguraciones. Los investigadores creen que “en este
había realizado en coordinación con el grupo de
Oceanografía del IMEDEA. Se trataba de una
aplicación de la teoría de la selección natural
desarrollada a partir de Charles Darwin y su conocido
Origen de las especies, al estudio de las estrellas. Los
investigadores partían de una necesidad: trasladar el
lenguaje matemático el ciclo solar. En definitiva, se
trataba de encontrar la ecuación que mejor pudiera
describir el periodo de actividad solar antes
mencionado (once años). Nadie antes lo había
intentado. El reto era encontrar la ecuación que mejor
describiera la realidad observada para poder describir
el comportamiento futuro del Sol. El revolucionario
método que se utilizó fue el de los algoritmos
genéticos.
Los investigadores han “mutado” y
“reproducido” ecuaciones para
encontrar un grupo de ellas que sea
capaz de describir el ciclo solar
ciclo la emergencia periódica de flujo magnético se ha
producido sobre todo fuera de grupos de manchas ya
existentes, por lo que no se forman estructuras
magnéticas complejas y no se producen fulguraciones
intensas”.
Darwin en las estrellas
En el año 2002 la revista Astronomy and Astrophysics
publicaba un trabajo que el grupo de Física Solar
Sabemos, desde Darwin, que la selección natural
actúa sobre las especies y que sólo aquellos
individuos que previamente han adquirido rasgos que
le permitirán adaptarse al medio, consiguen sobrevivir
y seguir evolucionado. El resto es condenado a la
extinción. Lo que hicieron los investigadores fue
considerar las ecuaciones candidatas a describir la
actividad solar como especies. Partieron de un número
El satélite
SOHO, fruto de
un consorcio
entre la NASA y
la Agencia
Espacial
Europea.
compuesta básicamente de hidrógeno. En esta
"atmósfera" solar, las llamadas protuberancias son
En la imagen de
la izquierda se
puede observar
una enorme
protuberancia en
erupción. El
consorcio SOHO
ha incluido la
Tierra en la
imagen, a
efectos
comparativos. A
la derecha, una
colección de
bucles de la
corona solar.
elevado de ecuaciones que fueron ensayadas con lo
datos observados. En una primera selección muchas
se mostraron inservibles para describir el
comportamiento del sol. Si no podían describir ni un
estado concreto de la estrella, mucho menos podrían
ser utilizadas para describir los ciclos solares futuros.
La ecuaciones que mostraron "mejor adaptación"
fueron mutadas, de la misma manera que los genes
mutan en la naturaleza. Los investigadores cambiaban
algunos términos, algunos coeficientes de la ecuación
y observaban cuáles de esos cambios, cuáles de esas
mutaciones, eran las que mejor se adaptaban a
describir el ciclo solar. Actuando de esta manera,
mutando y combinando (reproduciendo) las
ecuaciones, se llegó a una colección o una familia de
ecuaciones cuyos miembros presentaban una mejor
adaptación. Gracias a este grupo de ecuaciones se
han podido predecir algunas fases de la actividad solar
antes de producirse, aunque el método tiene sus
limitaciones.
Las protuberancias y los bucles de la corona
Hemos dicho que la capa más exterior del Sol es
llamada corona. Tomando la Tierra como ejemplo,
podríamos decir que la corona es una especie de
atmósfera del Sol. En realidad se trata de una capa
como enormes nubes en forma de cortina, con una
importante diferencia respecto a las nubes que
estamos acostumbrados a ver: las protuberancias son
más pesadas que el gas que las envuelve, hasta cien
veces más pesadas. Y sin embargo, son muy estables.
Otra vez el culpable es el campo magnético ya que es
éste el que las sostiene. Los bucles, en cambio, son
arcos magnéticos que también llevan gas, aunque no
de tanta densidad como en el caso de las
protuberancias. Cabe tener en cuenta que las
temperaturas de la corona son del orden del millón de
grados C. Mientras las temperaturas que presentan los
bucles son del mismo rango que las del resto de la
corona, las temperaturas de las protuberancias son del
orden de 10.000 grados C, mucho menores.
Los investigadores del grupo de Física Solar estudian
en la actualidad las oscilaciones que se han
observado en protuberancias y bucles de la corona
solar, oscilaciones que son provocadas por
fulguraciones. El objetivo no es otro que, de la misma
manera que la frecuencia de vibración de una cuerda
de guitarra nos informa sobre la densidad de esa
cuerda (si conocemos la longitud y la tensión
aplicada), la frecuencia de oscilación de
protuberancias y bucles pueden informar a los
investigadores sobre otras características de estos
objetos.
Proyectos financiados desde 1999
Título: Sismología de la corona solar y Actividad solar
Referencia: BFM2000-1329
Entidad financiadora: DGIC - Dirección General de Investigació Científica y Técnica. (DGICYT)
Periodo: 1999 - 2001
Títulol: Interaction of MHD waves and flows in astrophysical plasmas
Referencia: INTAS 31931
Entidad financiadora: INTAS
Periodo: 1999 - 2001
Título: Nonlinear and nonadiabatic magnetohydrodynamic waves in solar coronal structures
Referencia: PST.CLG.976135
Entidad financiadora: NATO
Periodo: 1999 - 2003
Título: Oscilaciones en estructuras magnèticas de la corona solar
Referencia: AYA2003-00123
Entidad financiadoraa: MCYT
Periodo: 2003 - 2006
Investigador responsable
Doctor Josep Lluís Ballester, catedratico de Astronomía y Astrofísica
Departamento de Física. Grupo de Física Solar
Edificio Mateu Orfila i Rotger
Tel: 34(9) 71 17 32 28
Fax: 34(9) 71 17 34 26
E-mail: dfsjlb0@uib.es
Otros miembros del equipo
Marc Carbonell, catedrático de Escuela
Universitaria
Ramón Oliver, profesor de Astronomía y
Astrofísica
Jaume Terradas, contratado postdoctoral
Antoni Díaz, ayudante de Escuela Universitaria
Los doctores
Josep Lluís
Ballester
(izquierda) y
Ramon Oliver,
miembros del
grupo de Física
Solar de la UIB.
Webs de interés
http://www.uib.es/depart/dfs/Solar/index.html
Grupo de Física Solar. Departamento de Física de la UIB
http://sohowww.nascom.nasa.gov/
Página del proyecto SOHO, consorcio de la NASA y de la Agencia Espacial Europea
http://vestige.lmsal.com/TRACE/
Web del proyecto Transition Region and Coronal Explorer (TRACE) de la NASA
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