Nuestro cambiante Sol

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El Sol en octubre de 2023, captado por el Solar Orbiter de la ESA — En esta imagen, captada en octubre de 2023 por la sonda Solar Orbiter, de la Agencia Espacial Europea (ESA), vemos la intensidad de los bucles, y la actividad en nuestro Sol, a diferencia de otra, de 2021, que verán más abajo. Crédito de la imagen: ESA & NASA/Solar Orbiter/EUI Team

A medida que el Sol se acerca al máximo en su ciclo de actividad magnética, vemos más explosiones brillantes, manchas solares oscuras, bucles de plasma y remolinos de gas supercaliente.

El Sol atraviesa un ciclo de actividad que dura alrededor de 11 años. Es causada por la ‘dinamo solar’, el proceso que genera el campo magnético del Sol. Al comienzo de este ciclo (el mínimo solar) hay relativamente poca actividad y pocas manchas solares. La actividad aumenta constantemente hasta alcanzar su punto máximo (el máximo solar) y luego disminuye nuevamente hasta un mínimo.

El disco solar en Febrero de 2021 — El disco solar captado en febrero de 2021 muestra menos actividad que en la imagen previa. Crédito de la imagen: ESA & NASA/Solar Orbiter/EUI Team

El mínimo solar más reciente se produjo en diciembre de 2019, sólo dos meses antes del lanzamiento de Solar Orbiter, en febrero de 2020. Las primeras vistas de la nave espacial mostraron que en febrero de 2021 el Sol todavía estaba relativamente en calma.

Ahora nos estamos acercando al máximo solar, que se espera que ocurra en 2025. Las vistas más recientes de Solar Orbiter, tomadas durante un acercamiento cercano al Sol en octubre de 2023, muestran un aumento sorprendente en la actividad solar. Esto añade peso a las teorías recientes de que el máximo podría adelantarse.

Impresionante explosión
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Este impresionante estallido de enérgica actividad estelar fue captado el 26 de enero de 2012 por las cámaras LASCO C2 y C3 a bordo del Observatorio Solar y Heliosférico (SOHO) de la ESA/NASA.
En primer lugar, una potente eyección de masa coronal (CME, por sus siglas en inglés) surge del Sol, arrojando enormes masas de material estelar a aproximadamente 1.200 km por segundo a través del Sistema Solar. Le siguen un par de CME más pequeñas y más lentas que se estima que viajan a entre 200 y 400 km por segundo.
Una última CME explota al final del vídeo, pero esta vez está dirigida a la Tierra. Estos eventos se denominan eyecciones de masa coronal “Halo” porque, a diferencia de las que se ven de lado, arrojadas desde el Sol y que parecen viajar hacia la izquierda o hacia la derecha, las CME dirigidas a la Tierra parecen un anillo de material que se hace cada vez más grande. Una vez que golpea, fragmentos de un segundo después, una tormenta de radiación interrumpe los instrumentos a bordo de la nave espacial en el camino, que se ven aquí como las caóticas perturbaciones ‘chispeantes’ que ‘salpican’ la imagen.
“Esta CME final transportó aproximadamente 37 cuatrillones de gramos de material a una increíble velocidad de 2.500 km por segundo”, explicó Karl Battams, Dr. en Ciencias Computacionales del Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU.
“¡Eso equivale a arrojar casi el 0,5% de todo el material orgánico de la Tierra al 1% de la velocidad de la luz!”, dijo.
Aunque el metraje original proviene de 2012, este video reciente utiliza ingeniosos algoritmos para ‘combinar’ la vista de las cámaras LASCO C2 y C3, sin el ’límite artificial’ que resultaría de otro modo.
“Este vídeo se realizó colocando primero correctamente las imágenes de las dos cámaras, utilizando la información del Sistema Mundial de Coordenadas almacenada en los encabezados de las imágenes, y luego haciendo coincidir y combinando el brillo y la textura en el límite entre las dos”, explicó Brendan Gallagher, científico computacional del Laboratorio de Investigación Naval de EE.UU., quien ‘alineó las imágenes’.
“Esta mezcla reduce el límite artificial introducido al usar múltiples cámaras para capturar múltiples características solares y, al hacerlo, revela su naturaleza continua”, añadió.
A medida que el Sol comienza un nuevo ciclo solar, el número 25, desde que tuvimos suficiente información para contarlos, la actividad debería comenzar a calentarse nuevamente a medida que el Sol ‘despierte’ del mínimo solar de los pasados años y entre en un nuevo máximo solar. Crédito de la imagen: SOHO (ESA & NASA) - Brendan Gallagher

Aquí pueden ver el artículo en inglés

Solar Orbiter ayudará a predecir el momento y la fuerza de los ciclos solares. Aunque es notoriamente complicado, esto es vital porque la actividad solar puede afectar seriamente la vida en la Tierra; las erupciones extremas pueden dañar las redes eléctricas terrestres y desactivar los satélites en órbita.

Las imágenes fueron tomadas por el instrumento Extreme Ultraviolet Imager (EUI) de Solar Orbiter. Revelan la atmósfera superior del Sol, que tiene una temperatura de alrededor de un millón de grados Celsius. EUI ayuda a los científicos a investigar los misteriosos procesos de calentamiento que ocurren en las regiones exteriores del Sol. Dado que EUI ve el Sol en luz ultravioleta, que es invisible para los ojos humanos, se agrega el color amarillo para ayudarnos a visualizar nuestro cambiante Sol. Y aquí volvemos a ese par de imágenes de 2021 y 2023, que vimos antes.

En octubre del año 2020 el Panel de Predicción del Ciclo Solar 25 anunció que el Sol había entrado oficialmente en un nuevo ciclo, el número 25 desde que se cuenta con datos suficientes para reconocerlos de manera confiable. Si bien se esperaba que el clima espacial se tornase más resonante en los años siguientes, con una actividad máxima de manchas solares esperada para 2025, el panel llegó al consenso de que este próximo ciclo será muy similar al anterior, y que ambos generalmente serán más débiles que el ciclo solar promedio.

Juha-Pekka-Luntama. Crédito de la imagen: ESA

“Aunque las tormentas solares pequeñas y medianas son más probables durante el pico de actividad solar”, explicó muchos años atrás Juha-Pekka Luntama, jefe de la Oficina de Meteorología Espacial de la ESA, “es importante recordar que los grandes eventos solares individuales, las enormes llamaradas y las eyecciones de masa coronal, pueden suceder en cualquier punto, independientemente de dónde nos encontremos en el ciclo solar o de qué tan fuerte se vuelva el ciclo”.

Si estas tormentas solares impactan la Tierra, pueden crear tormentas geomagnéticas en nuestra magnetosfera. Si bien son buenas noticias para los cazadores de auroras, estas tormentas pueden alterar e incluso dañar las redes eléctricas de la Tierra y los satélites en órbita, así como los servicios vitales ligados a esa tecnología. Pensemos que son afectados los sistemas GPS, no hay energía para el funcionamiento de los ATM o cajeros automáticos, el expendio de combustible, el alumbrado eléctrico domiciliario, las telecomunicaciones, las operaciones financieras, el control del armamento… invito a que piensen cómo cambiaría su vida cotidiana sin GPS, tabletas, computadoras, teléfonos inteligentes, compras en línea, los sistemas de emergencia policiales, militares, médicos, la preservación de los alimentos, los trenes eléctricos… y así podríamos estar varios… muchos párrafos.

Repetitiva e impredecible
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Bosquejo del campo magnético heliosférico — La misión Ulysses de la ESA/NASA realizó estudios sin precedentes del campo magnético del Sol y la forma en que es transportado al espacio exterior. Se descubrió que cerca del Sol, las líneas del campo magnético siguen un patrón específico que varía con la latitud, pero a distancias más allá de 3 a 5 veces el radio solar se vuelven más uniformes y tienen la misma fuerza en todas las latitudes. Crédito de la imagen: ESA (imagen de C. Carreau)

Como un imán utilizado, por ejemplo, en las escuelas, el Sol tiene un campo magnético con los polos norte y sur, y líneas de campo magnético que se extienden mucho más allá de nuestra estrella y conectan las regiones polares.

Estos polos tienen una misteriosa tendencia a cambiar de lugar: el norte se convierte en sur y el sur en norte, en un ciclo que dura en promedio unos 11 años. El cambio del campo magnético ocurre en el pico de cada ciclo solar, el máximo solar, cuando la actividad es mayor. Después del cambio, la actividad se ralentiza durante el mínimo solar y comienza un nuevo ciclo.

Por siglos hemos estado estudiando el Sol, pero el mecanismo exacto de este cambio en el campo magnético sigue siendo un tema de debate teórico entre los científicos. En el caso de la Agencia Espacial Europea, se apoya en la misión Solar Orbiter de la ESA, “para tratar de comprender qué impulsa el ciclo solar y, al observar las regiones polares, esperamos aprender más sobre cómo se genera el campo magnético, que impulsa la actividad solar”.

Las manchas solares
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Mancha solar captada por el observatorio SOHO — Mancha solar captada en octubre de 2023 por el observatorio SOHO. Crédito de la imagen: ESA-SOHO

Las manchas solares son una herramienta útil para determinar en qué punto de su ciclo se encuentra el Sol. Las manchas oscuras temporales en la superficie solar son parches de intensa actividad magnética, ligeramente más frías que el material que las rodea y, por lo tanto, parecen más oscuras que las áreas circundantes. Estas manchas transitorias se correlacionan directamente con la actividad solar, ya que la mayoría de las erupciones solares y las eyecciones de masa coronal se originan en grupos de manchas solares, también llamadas “regiones activas”.

Las regiones activas, las llamaradas y las eyecciones siguen al ciclo general de las manchas solares, lo que significa que hay más durante el máximo solar y menos durante el mínimo solar. Sin embargo, estadísticamente es igual de probable que ocurran llamaradas gigantes y eyecciones de masa coronal en cualquier momento, independientemente de la fuerza del ciclo. Por lo tanto, siempre debemos estar preparados para un “mal” clima espacial.

Ciclo 25
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Seguimiento del ciclo solar — El número de manchas solares en la superficie del Sol aumenta y disminuye en ciclos solares de aproximadamente 11 años. El Mínimo Solarse refiere a los años en los que el número de manchas solares es más bajo; el Máximo Solar ocurre en los años en que las manchas solares son más numerosas. Crédito de la imagen: NOAA Space Weather Products & Services

Se determinó que el pasado ciclo solar, el número 24, terminó en diciembre de 2019, cuando el número promedio de manchas solares de este ciclo alcanzó un mínimo y comenzaron a emerger las primeras manchas solares del nuevo ciclo.

Se considera que comienza un nuevo ciclo solar cuando nuevas manchas que emergen en latitudes medias de la superficie del Sol tienen una polaridad magnética opuesta a la de las manchas solares del ciclo anterior. Pero debido a que el número de manchas solares fluctúa día a día y semana a semana, los científicos utilizan un promedio móvil, lo que significa que se necesitan algunos meses para que se aclaren patrones claros de actividad.

Predicción del ciclo solar 25 — El panel internacional copresidido por NOAA/NASA para pronosticar el Ciclo Solar 25 difundió en octubre 2020 un pronóstico sobre el Ciclo Solar 25. El panel acordó que el Ciclo 25 tendrá una intensidad promedio y similar al Ciclo 24. Crédito de la imagen: NOAA

Predecir qué tan activo se volverá el Sol en el pico de un ciclo es una tarea notoriamente difícil. Al igual que con el clima en la Tierra, los pronósticos solares a largo plazo son difíciles de recopilar, aunque sabemos que hay normas generales de comportamiento.

Aunque el consenso sobre el ciclo solar 25 es que será similar al anterior, esta predicción viene con más incertidumbre que la mayoría, ya que el ciclo solar 25 llega después de una disminución general en la actividad solar máxima. En esta etapa, el próximo ciclo solar podría continuar la tendencia a la baja hacia ciclos con actividad más débil que la media, o podría marcar el comienzo de una serie de ciclos más activos.

Impacto en la Tierra
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Venus, la Tierra y Marte interactúan con el viento solar — Esta impresión artística muestra cómo el viento solar da forma a las magnetosferas de Venus (arriba), la Tierra (centro) y Marte (abajo). A diferencia de Venus y Marte, la Tierra tiene un campo magnético interno que hace que su magnetosfera sea más grande. Las líneas que salen del Sol simbolizan la propagación hacia afuera del viento solar. Las distancias no se muestran a escala. Crédito de la imagen: ESA

A medida que aumente la actividad solar, el Sol emitirá más radiación de partículas de alta energía y materia al Sistema Solar. Desde nuestra posición en la Tierra, la tercera roca desde el Sol, cualquier impacto directo tendrá consecuencias para nuestro campo magnético -la capa alrededor de la Tierra que nos protege de los estallidos del Sol- creando tormentas geomagnéticas.

Estas tormentas tienen el potencial de causar serios problemas a los sistemas tecnológicos modernos, perturbando o dañando los satélites en el espacio y la multitud de servicios –como la navegación y las telecomunicaciones– que dependen de ellos. Las tormentas geomagnéticas también pueden bloquear las redes eléctricas y las comunicaciones por radio, además de crear un peligro de radiación para los astronautas en el espacio, e incluso suministrar dosis de radiación potencialmente dañinas a los astronautas en futuras misiones a la Luna o Marte.

¿Qué es el clima espacial?
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El clima espacial se refiere a las condiciones ambientales en el espacio influenciadas por la actividad solar.

En la economía europea -y de cualquier lugar del mundo- en la actualidad, numerosos sectores pueden verse afectados por el clima espacial. Desde las telecomunicaciones espaciales, la radiodifusión, los servicios meteorológicos y la navegación, hasta la distribución de energía y las comunicaciones terrestres, especialmente en las latitudes septentrionales.

Una influencia significativa de la actividad solar se observa en las perturbaciones en los servicios de navegación por satélite, como Galileo, debido a los efectos del clima espacial en la atmósfera superior. Esto, a su vez, puede afectar a la aviación, el transporte por carretera, el transporte marítimo y cualquier otra actividad que dependa de un posicionamiento preciso.

Para los satélites en la órbita terrestre, los efectos del clima espacial pueden verse en la degradación de las comunicaciones, el rendimiento, la confiabilidad y la vida útil general de esos dispositivos. Por ejemplo, los paneles solares que convierten la luz solar en energía eléctrica en la mayoría de las naves espaciales generarán cada vez menos energía durante el transcurso de una misión, y esta degradación debe tenerse en cuenta al diseñar el satélite.

Además, el aumento de la radiación debido al clima espacial puede provocar mayores riesgos para la salud de los astronautas, tanto hoy, a bordo de la Estación Espacial Internacional en la órbita baja de la Tierra, como en el futuro en viajes a la Luna o Marte.

En la Tierra, las aerolíneas comerciales también pueden sufrir daños en los componentes electrónicos de las aeronaves y mayores dosis de radiación para las tripulaciones (en altitudes de aviones de larga distancia) durante grandes eventos climáticos espaciales. Los efectos del clima espacial en tierra pueden incluir daños e interrupciones en las redes de distribución de energía, aumento de la corrosión de las tuberías y degradación de las comunicaciones por radio.

Afortunadamente, estos eventos vienen con alguna advertencia: grupos complejos de manchas solares burbujean desde debajo de la superficie solar dejando patrones oscuros en todo el disco.

Si bien no se pueden detener, la alerta anticipada de tormentas solares que se avecinan daría a los operadores de satélites, redes eléctricas y sistemas de telecomunicaciones, así como a los exploradores espaciales, tiempo para tomar medidas de protección.

El programa de Seguridad Espacial de la ESA está planeando una misión única que hará precisamente esto. La misión Lagrange realizará observaciones muy necesarias del Sol desde un punto de vista único, el quinto punto de Lagrange. Al observar nuestro Sol ‘de lado’, la misión Lagrange obtendrá una vista previa de la actividad solar antes de que gire hacia la Tierra, recopilando los primeros datos necesarios para proporcionar dichas advertencias anticipadas.

El campo magnético terrestre protege la vida en la Tierra de la intensa radiación y cantidades masivas de material energético que nuestro Sol lanza en todas direcciones. Sin embargo, los astronautas y los satélites en el espacio, los futuros exploradores que viajen a la Luna y Marte y la infraestructura en la Tierra, como las redes eléctricas y los sistemas de comunicación, siguen siendo vulnerables a estos estallidos violentos.

Por este motivo, la misión Vigil de la ESA -que se prevé lanzar en 2029- monitoreará el ’lado’ de nuestro Sol, desde una posición gravitacionalmente estable conocida como el quinto punto de Lagrange. Desde aquí, el satélite (anteriormente llamado Lagrange) detectará eventos solares potencialmente peligrosos antes de que aparezcan a la vista desde la Tierra, brindándonos conocimiento avanzado de su velocidad, dirección y probabilidad de impacto.

Al observar el Sol desde el quinto punto de Lagrange, la nave espacial Vigil detectará eventos solares y su propagación hacia la Tierra con mayor precisión de lo que es posible hoy en día, transmitiendo datos a casa y distribuyéndolos en la Red de Servicios Meteorológicos Espaciales de la ESA casi en tiempo real, para generar advertencias y previsiones.