El Sol es el objeto de la naturaleza que más ha influido en la cultura. Hace miles de años era la única fuente de luz y calor. ¿Qué habrán pensado los primeros homínidos que se hicieron conscientes de su existencia? Pasaron miles de millones de años, desde la formación del universo, hasta que un producto de la propia naturaleza controló el fuego, un proceso de oxidación rápida que muchos confunden con una propiedad solar.
El Sol no se está quemando, el Sol no es fuego encendido en el cielo. El Sol en realidad es un enorme reactor nuclear, tan poderoso que ha estado generando la misma cantidad de energía por cinco mil millones de años y que podrá seguir generándola por otros cinco mil millones de años más.
La enorme maquinaria del Sol utiliza hidrógeno como su principal combustible. En su increíble núcleo es tan alta la temperatura y tan elevada la presión que los diminutos átomos de hidrógeno chocan entre ellos, produciendo otra partícula: el helio. De nuestras clases de secundaria recordamos que la tabla periódica comienza con el hidrógeno, después el helio, litio, etcétera.
El helio, por extraño que parezca, tiene menos masa que los átomos de hidrógeno involucrados en su generación. Esta pequeñísima cantidad de masa se convierte en energía. El proceso es llamado fusión nuclear y al mecanismo mencionado de conversión de hidrógeno en helio se le llama cadena protón-protón.
Grupo de manchas solares tomadas con un filtro solar y un telescopio de 8 pulgadas
a inicios del 2012 desde la ciudad de Puebla.
La energía producida por el proceso protón-protón también genera muchos fotones muy energéticos y libera electrones por el choque de esos fotones con los átomos en el núcleo solar. Electrones y protones tienen una propiedad llamada carga eléctrica. La carga eléctrica del electrón es negativa y la del protón es positiva. Una partícula con carga es sensible al campo electromagnético; cuando la partícula interactúa con el campo se produce una fuerza, llamada Fuerza de Lorentz. Éstas producen cambios en la dirección de movimiento.
Una partícula cargada por naturaleza produce un campo eléctrico; si la partícula se mueve genera un campo magnético. Por ejemplo, un electrón siempre tiene un campo eléctrico alrededor, si el electrón se mueve entonces genera un campo magnético. Heinrich Hertz, con ayuda de la teoría de James Clerk Maxwell, demostró que una partícula cargada con un movimiento oscilatorio genera un campo electromagnético, la combinación del campo magnético y eléctrico con la propiedad de que uno es perpendicular al otro y viajan a la velocidad de la luz.
En el caso del Sol, los fotones energéticos, o partículas de luz producidas por la fusión nuclear, chocan con los átomos de hidrógeno y helio que están en la periferia del núcleo solar. Los electrones son liberados separando a las partículas cargadas (protones y electrones), los cuales se mueven muy cerca del núcleo solar, en forma circular, lo que produce un campo magnético global en el Sol. Un campo magnético tan extenso que no sólo llega hasta Tierra, sino que va más allá del sistema solar.
Cerca de la superficie del Sol existen otros movimientos importantes que se clasifican en tres formas: convectivo (del interior del núcleo a la superficie), meridional (del ecuador del Sol a los polos) y diferencial (gira más rápido en el ecuador que en los polos). Es como si el Sol fuera una licuadora moviéndose en direcciones diferentes a los protones y a los electrones. Los electrones y los protones en movimiento generan campo magnético, pero al mismo tiempo son influidos por los mismos campos. Esto crea un efecto muy interesante que mezcla otro concepto sumamente importante, el cual describiremos a continuación.
De un examen de Física en la secundaria, recuerdo una pregunta: ¿Qué estado de la materia es la más abundante en el universo? Había tres opciones: 1) líquido, 2) coloidal y 3) plasma. Me quedé intrigado, por que yo sólo conocía los estados líquido, sólido y gaseoso. Por supuesto, el universo no era líquido, no sabía bien que era el coloidal y el plasma lo había escuchado antes. Escogí plasma y estaba en lo correcto, pero no sabía lo que significaba.
Busqué entonces el concepto. Un plasma es un gas que está lo suficientemente caliente como para que los electrones se separen de los átomos, de tal forma que si contamos las partículas con carga positiva y negativa, encontramos que existe el mismo número de cada una de ellas. Para un gas de hidrógeno, significa que hay el mismo número de electrones que de protones. Cuando ocurre, los electrones y los protones se acomodan de tal forma que alrededor de cada electrón hay cierta cantidad de protones que anulan sus fuerzas mutuamente y alrededor de cada protón hay electrones que anulan también mutuamente sus fuerzas; esa red tridimensional se extiende por todo el gas. La distancia promedio entre un electrón y un protón en esa red se llama Longitud de Debye y es un número que caracteriza a un plasma.
Si el plasma se mueve, toda la red se mueve y como un electrón o protón que se mueve, forma un campo electromagnético. Si pasas un campo electromagnético (y más importante, un campo magnético) el plasma se mueve también.
Así que, si se genera un campo magnético en forma de un tubo y pasa por un plasma, el campo magnético y el plasma quedan unidos. Si se mueve el campo magnético, el plasma se mueve junto con él.
¿Qué pasa en el Sol? Los movimientos del plasma en sus modos convectivo, meridional y diferencial, arrastran al campo magnético y lo tuercen tanto que no tiene más remedio que salir a la superficie. Este campo magnético realmente proviene de lugares más profundos del Sol, pero es atrapado cerca de la superficie y, como si fuera una licuadora, el plasma del Sol tuerce los campos magnéticos.
Cuando uno de esos campos magnéticos extremadamente torcido sale a la superficie, comienza el verdadero juego. Una estructura en forma de arco se forma, con alturas que superan varias veces el diámetro terrestre. En las bases de esos arcos, el plasma comienza a enfriarse y aparecen unas estructuras familiares: las manchas solares.
Las manchas solares siempre están en par, nacen y crecen, interactúan y desaparecen. Siempre están asociadas a un arco magnético. Cuando dos manchas solares chocan, son en realidad los dos inmensos arcos magnéticos los que están interactuando. Los arcos magnéticos no son visibles para el ojo humano. Recientemente fueron fotografiadas, pero por cientos de años fueron un misterio.
Cuando los arcos chocan se produce un fenómeno conocido como reconexión magnética. ¿Qué pasa si se quiere juntar dos imanes por sus polos iguales? ¿Se repelen, verdad? Pero si los fuerzan lo suficiente se puede lograr. ¿Que ocurriría si el campo magnético es tan intenso que es casi imposible juntarlos y aún así, se le pone toneladas de peso encima para lograrlo? Las líneas de campo magnético se rompen y la energía magnética se convierte en energía cinética, esto es, la fuerza del campo magnético se vuelve energía. Los átomos que estén cerca de ese lugar saldrán disparados y algunos emitirán muchísima energía en forma de luz UV, Rayos X, Rayos Gamma. A este tipo de evento lo conocemos como fulguración. La luz producida en una fulguración puede llegar a la Tierra y afectar nuestra atmósfera. Una parte de nuestra atmósfera reacciona y absorbe la radiación, produciendo una gran cantidad de electrones que pueden afectar las comunicaciones.
Sin embargo, eso no es lo peligroso. Si la energía alrededor de una reconexión magnética es muy intensa y si hay mucho gas alrededor, lo que ocurre es que los átomos absorben la energía y comienzan a moverse, es decir, se aceleran: a este fenómeno se le conoce como eyección de masa coronal. Puede ser tan gigantesca que llega a ocupar una fracción del disco solar, son enormes cantidades de hidrógeno muy caliente que se mueven en el medio interplanetario, llegando incluso a velocidades cercanas a la de la luz. Esa nube de gas arrastra consigo el campo magnético que lo origina.
Si el evento solar se da en una región que apunta a la Tierra, entonces podríamos estar en problemas. Ese gas caliente puede llegar hasta la Tierra en cuestión de horas o días, aún no sabemos predecir correctamente el tiempo de llegada de un evento solar. Es el premio del millón de dólares en Física Solar: crear un modelo de predicción de eventos solares, o como nosotros decimos, un modelo de clima espacial.
Al llegar a la Tierra, este gas interactúa con nuestro campo geomagnético. Si la configuración magnética del evento es la indicada puede ocurrir reconexión magnética cerca de la Tierra y producir tormentas geomagnéticas, las cuales afectan a satélites, tuberías de petróleo, líneas de distribución de energía, transformadores, GPS, pasajeros en aviones a gran altura, auroras boreales y a las radiocomunicaciones de onda corta y de radio, indispensables para la comunicación militar. Por ejemplo, en el año 2003, durante los llamados “eventos Halloween”, más de 10 satélites se colapsaron, hubo apagones masivos en Estados Unidos y Canadá y una gran cantidad de auroras boreales fueron vistas en el territorio de Canadá. Incluso han llegado a fallar satélites importantes como el SkyLab, el cual fue derribado por una expansión de la atmósfera terrestre debido a un evento solar.
El Sol, la licuadora de campos magnéticos, no genera de forma indiscriminada manchas solares. Las manchas tienen una actividad cíclica. Cada 11 años, de forma paulatina el número de manchas comienza a crecer, después las manchas poco a poco desaparecen. Cada par de manchas tiene un periodo de vida de 30 días, casi el mismo periodo que la rotación del Sol. Este año 2012 estamos entrando en el periodo de máxima actividad.
Hay que recordar que entre más actividad, más manchas; entre más manchas, más probabilidad de interacción; entre más interacciones más eventos solares y eso conlleva a un mayor probabilidad de eventos que viajen hacia la Tierra.
Sin embargo, este ciclo de actividad solar es muy extraño. El número de manchas es mucho menor que en el ciclo anterior. ¿Qué está ocurriendo en el Sol? Muchos investigadores comenzamos a plantearnos la posibilidad seria de que el Sol está entrando en una fase de calma prolongada. Parece ser que el Sol dejará de tener actividad en algunos años, tal vez el próximo ciclo sea aún menor y tal vez, en unos 20 años, dentro de dos ciclos, las manchas no aparezcan de nuevo. Este fenómeno ha sido observado anteriormente. Es llamado el Mínimo de Maunder. Lo que sabemos de forma indirecta es que la temperatura de la Tierra bajó algunos grados. Sin embargo, muchos investigadores aún no aceptan que estas observaciones sean válidas, ya que fueron tomadas a comienzos del siglo XVIII y no hay consenso acerca del rigor científico con que fueron hechas. Muestras de carbono 14 y observaciones en estrellas de tipo solar parecen indicar que una fracción importante en la vida de una estrella permanece sin actividad cíclica magnética.
Parece ser que la humanidad tiene una segunda oportunidad. Si el Sol deja de tener actividad y eso reduce la temperatura, al mismo tiempo que el calentamiento global la está aumentando, cabe la posibilidad de que la temperatura de la Tierra se equilibre en los próximos 50 años. Increíblemente, la falta de actividad magnética nos puede dar un respiro de media década. ¿Estaremos entrando en un nuevo Mínimo de Maunder?
No hay que ser tan optimistas. No dejemos nuestra suerte a la naturaleza. Nosotros, los homo sapiens, esta raza tan especial que existe en el universo, la cual es capaz de entenderse a sí misma, no puede dejar su suerte a que un fenómeno tan complejo, como los plasmas en el Sol, dicten el futuro de nuestra sociedad. Si el siguiente Mínimo de Maunder existe, éste se terminará y se encontrará con una Tierra infestada de monóxido de carbono, el efecto podría ser catastrófico en unos 100 años más. ¿Qué clase de futuro le estaríamos heredando a nuestros nietos?
* INAOE. [email protected]
