Variabilidad solar y clima terrestre
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19 de enero de 2013: En la escala
galáctica, el Sol es una estrella notablemente constante. Mientras que algunas
estrellas experimentan dramáticas pulsaciones, y como consecuencia varían mucho
en tamaño y brillo, e incluso explotan ocasionalmente, la luminosidad de
nuestro Sol varía apenas un 0,1% a lo largo de su ciclo solar de 11 años.
Sin embargo, los investigadores están
comenzando a darse cuenta de que estas aparentemente diminutas variaciones
pueden tener un efecto significativo sobre el clima de la Tierra. Un nuevo
informe, publicado por el Consejo Nacional de Investigaciones de Estados Unidos
(National Research Council o NRC, por su sigla en idioma inglés), denominado
"Los Efectos de la Variabilidad Solar sobre el Clima Terrestre",
expone algunos de los sorprendentemente complejos mecanismos mediante los
cuales la actividad solar puede hacerse sentir en nuestro planeta.
Estas seis imágenes del Sol en el ultravioleta extremo, captadas por el Observatorio de Dinámica Solar (Solar Dynamics Observatory o SDO, por su sigla en idioma inglés), de la NASA, registran el creciente nivel de la actividad solar conforme el Sol se acerca hacia la cúspide del ciclo de manchas solares de 11 años de duración. [Más información]
Estas seis imágenes del Sol en el ultravioleta extremo, captadas por el
Observatorio de Dinámica Solar (Solar Dynamics Observatory o SDO, por su sigla
en idioma inglés), de la NASA, registran el creciente nivel de la actividad
solar conforme el Sol se acerca hacia la cúspide del ciclo de manchas solares
de 11 años de duración. [Más información]
Entender la conexión entre el clima
terrestre y el Sol requiere una amplia experiencia en campos como la física de
plasmas, la actividad solar, la química atmosférica y la dinámica de fluidos,
la física de partículas energéticas e incluso la historia de la Tierra. Ningún
investigador tiene, por sí solo, el gran rango de conocimientos que se
necesitan para resolver el problema. Para avanzar, el NRC tuvo que reunir a
docenas de expertos en diversos campos en un solo taller de investigación. El
informe resume los esfuerzos combinados para abordar el problema desde un
contexto verdaderamente interdisciplinario.
Uno de los investigadores que participó en
este taller, Greg Kopp, del Laboratorio de Física Atmosférica y Espacial
(Laboratory for Atmospheric and Space Physics, en idioma inglés), de la
Universidad de Colorado, destacó que aunque las variaciones en la luminosidad a
lo largo del ciclo solar de 11 años no ascienden a más de un décimo del uno por
ciento de la producción total del Sol, esa fracción tan diminuta sigue siendo
importante. "Incluso las variaciones de corto plazo típicas de 0,1% en la
irradiación solar incidente supera a todas las demás fuentes de energía (como
la radiactividad natural en el núcleo de la Tierra) combinadas", dice.
Es de particular importancia la radiación
solar en el ultravioleta extremo (UVE), la cual alcanza su punto de mayor
intensidad durante los años cercanos al máximo solar. Dentro de la
relativamente estrecha banda de las longitudes de onda del UVE, la producción
solar varía no por un minúsculo 0,1%, sino por enormes factores de 10 o más.
Esto puede afectar considerablemente la química y la estructura térmica de la
atmósfera superior.
Las mediciones de la irradiación solar total (IST) realizadas desde el espacio muestran variaciones de ~0,1 por ciento en la actividad solar en escalas de tiempo de 11 años o menos. Estos datos han sido corregidos con el fin de compensar las diferencias de calibración entre los distintos instrumentos empleados para medir la IST. FUENTE: Cortesía de Greg Kopp, Universidad de Colorado.
Las mediciones de la irradiación solar total (IST) realizadas desde el
espacio muestran variaciones de ~0,1 por ciento en la actividad solar en
escalas de tiempo de 11 años o menos. Estos datos han sido corregidos con el
fin de compensar las diferencias de calibración entre los distintos
instrumentos empleados para medir la IST. FUENTE: Cortesía de Greg Kopp,
Universidad de Colorado.
Varios investigadores discutieron formas
en las cuales los cambios en la atmósfera superior pueden influir sobre la
superficie de la Tierra. Hay muchos caminos "de arriba hacia abajo"
para que el Sol ejerza su influencia. Por ejemplo, Charles Jackman, del Centro
Goddard para Vuelos Espaciales (Goddard Space Flight Center, en idioma inglés),
describió cómo el óxido nitroso (NOx) creado por partículas energéticas solares
y rayos cósmicos en la estratósfera puede reducir los niveles de ozono en
varios puntos porcentuales. Debido a que el ozono absorbe la radiación UV,
tener menos ozono implica que más rayos UV del Sol pueden llegar a la
superficie de la Tierra.
Isaac Held, de la Administración Nacional
Oceánica y Atmosférica (National Oceanic and Atmospheric Administration o NOAA,
por su acrónimo en idioma inglés), exploró esta observación con más detalle. Él
describió cómo es que la pérdida de ozono en la estratósfera podría alterar la
dinámica de la atmósfera en las capas inferiores. "El enfriamiento de la
estratósfera polar asociado con la pérdida de ozono incrementa el gradiente
horizontal de temperatura cerca de la tropopausa", explica. "Esto
altera el flujo de momento angular en los vórtices de latitudes intermedias.
[El momento angular es importante ya que] el equilibrio del momento angular en
la tropósfera controla los vientos superficiales que se mueven hacia el Oeste ('westerlies',
en idioma inglés)". En otras palabras, el efecto de la actividad solar en
la atmósfera superior puede, a través de una complicada cadena de influencias,
empujar a las tormentas que se encuentran en la superficie fuera de su curso
natural.
Diagrama que muestra cómo los rayos cósmicos galácticos y los protones
solares penetran en la atmósfera. FUENTE: C. Jackman, Centro Goddard para
Vuelos Espaciales, de la NASA, "El Impacto de la Precipitación de
Partículas Energéticas sobre la Atmósfera", presentado en el Taller
denominado los Efectos de la Variabilidad Solar sobre el Clima Terrestre, el 9
de septiembre de 2011.
Muchos de los mecanismos propuestos en el
taller son reminiscencias de las máquinas de Rube Goldberg (máquinas que operan
a través de una compleja secuencia de acciones en cadena para producir un
resultado simple). Dependen de interacciones que cuentan con muchos pasos entre
múltiples capas atmosféricas y el océano; algunas de ellas están sujetas a la
química para lograr su efecto, otras dependen de la termodinámica y de la
física de fluidos. Pero que algo sea complicado no quiere decir que no sea
real.
De hecho, Gerald Meehl, del Centro
Nacional de Investigaciones Atmosféricas (National Center for Atmospheric
Research o NCAR, por su sigla en idioma inglés), presentó evidencia convincente
de que la variabilidad solar está produciendo un efecto sobre el clima,
especialmente en el Pacífico. Según el informe, cuando los investigadores
analizan los datos correspondientes a la temperatura superficial del océano
durante los años en que hay más manchas solares, el Pacífico tropical muestra
un pronunciado patrón similar a "La Niña", con regiones del Pacífico
ecuatorial oriental que pueden enfriarse hasta un 1°C. Además, "hay indicios
de incrementos de precipitación en la ZITC (Zona Inter–Tropical de
Convergencia) del Pacífico y en la ZCPS (Zona de Convergencia del Pacífico
Sur), así como de presiones a nivel del mar que están por encima de lo normal
en latitudes intermedias del Pacífico Norte y Sur", las cuales se
correlacionan con los picos del ciclo de manchas solares.
Las huellas del ciclo solar son tan
intensas en el Pacífico que Meehl y algunos colegas han comenzado a preguntarse
si existe algo en el sistema climático del Pacífico que las esté amplificando.
"Uno de los misterios del sistema climático de la Tierra... es cómo puede
ser que las relativamente pequeñas variaciones del ciclo solar de 11 años
puedan producir la magnitud de las señales observadas en el clima del Pacífico
tropical". Usando modelos del clima creados mediante una supercomputadora,
los investigadores muestran que se necesitan mecanismos tanto "de abajo
hacia arriba" como "de arriba hacia abajo" en las interacciones
entre la atmósfera y el océano para aumentar la influencia solar sobre la
superficie del Pacífico.
Imágenes compuestas que muestran promedios de temperatura superficial y
precipitación para diciembre, enero y febrero en los años de máxima actividad
solar. FUENTE: G.A. Meehl, J.M. Arblaster, K. Matthes, F. Sassi, y H. van Loon,
"Amplificando la respuesta del sistema climático del Pacífico a la pequeña
influencia del ciclo solar de 11 años", Science 325:1114–1118, 2009;
reproducido con permiso de la AAAS.
En los últimos años, los investigadores
han considerado la posibilidad de que el Sol desempeñe un papel en el
calentamiento global. Después de todo, el Sol es la fuente
principal de calor de nuestro planeta. El informe proporcionado por el NRC
sugiere, sin embargo, que la influencia de la variabilidad solar es más de
carácter regional que global. La región del Pacífico es sólo un ejemplo de
esto.
Caspar Amman, del NCAR, comentó en el
informe que "cuando el equilibrio radiativo de la Tierra es alterado, como
ocurre cuando hay un cambio en la influencia producida por el ciclo solar, no
todos los lugares se ven afectados de la misma forma. El Pacífico ecuatorial
central generalmente se torna más frío, la escorrentía de ríos en Perú se ve
reducida y las condiciones en el oeste de Estados Unidos se vuelven más
secas".
Raymond Bradley, quien es un investigador
de la Universidad de Massachusetts que ha estudiado los registros históricos de
la actividad solar que se encuentran almacenados por radioisótopos en anillos
de árboles y núcleos de hielo, dice que las precipitaciones regionales parecen
verse más afectadas que la temperatura. "Si hay en efecto una influencia
solar sobre el clima, ésta se manifestará como cambios en la circulación en
general más que en las mediciones directas de temperatura". Esto concuerda
con la conclusión del IPCC (sigla que en idioma español significa: "Panel
Intergubernamental sobre el Cambio Climático") y de informes previos
proporcionados por el NRC de que la variabilidad solar NO es la causa del
calentamiento global observado en los últimos 50 años.
Ya se ha estudiado extensamente la
probable conexión entre el Mínimo de Maunder, un déficit en la cantidad de
manchas solares, de 70 años de duración, que ocurrió durante finales del siglo
XVII y principios del siglo XVIII, y el período más frío de la Pequeña Era de
Hielo, durante la cual Europa y América del Norte estuvieron sometidas a
inviernos crudamente fríos. El mecanismo para ese enfriamiento regional pudo
haber sido una disminución en la producción de la radiación en el UVE del Sol;
sin embargo, esto es todavía especulativo.
Promedio anual de cantidad de manchas solares para un período de 400 años (1610–2010). FUENTE: Cortesía del Centro Marshall para Vuelos Espaciales, de la NASA.
Promedio anual de cantidad de manchas solares para un período de 400 años
(1610–2010). FUENTE: Cortesía del Centro Marshall para Vuelos Espaciales, de la
NASA.
Dan Lubin, del Instituto Scripps de
Oceanografía, señaló la importancia de estudiar otras estrellas de la Vía
Láctea similares al Sol y determinar la frecuencia de los grandes mínimos
similares. "Las primeras estimaciones de la frecuencia de los grandes
mínimos en estrellas similares al Sol indicaban que éstos ocurren en entre el
10% y el 30% de los casos, lo cual implica que la influencia del Sol podría ser
abrumadora. Sin embargo, estudios más recientes que usan datos recolectados por
Hipparcos (un satélite astrométrico de la Agencia Espacial Europea) y que incluyen
apropiadamente la metalicidad de las estrellas producen estimaciones que no
superan el 3%". Esto no es una cantidad impresionante, pero es
significativo.
De hecho, el Sol podría estar actualmente
al borde de experimentar un evento del tipo mini–Maunder. El Ciclo Solar 24 en
el que nos encontramos es el más débil que ha ocurrido en más de 50 años. Es
más, hay evidencia (aún controvertida) de una tendencia a largo plazo
relacionada con el debilitamiento de la intensidad del campo magnético de las
manchas solares. Matt Penn y William Livingston, del Observatorio Solar
Nacional (National Solar Observatory, en idioma inglés), predicen que para
cuando llegue el Ciclo Solar 25, los campos magnéticos del Sol serán tan
débiles que se formarán muy pocas manchas solares, o quizás ninguna. Otras
líneas de investigación independientes relacionadas con el campo de la
heliosismología y con el estudio del campo magnético superficial polar tienden
a respaldar esta conclusión. (Nota: Penn y Livingston no participaron en el taller
del NRC).
"Si en efecto el Sol está entrando en
una fase desconocida del ciclo solar, debemos entonces redoblar nuestros
esfuerzos por entender el vínculo entre el Sol y el clima", menciona Lika
Guhathakurta quien trabaja para el programa Viviendo con una Estrella, de la
NASA, el cual aportó fondos para el estudio del NRC. "El informe ofrece
varias buenas ideas para saber por dónde comenzar".
Esta imagen de la fotósfera superior del Sol muestra las estructuras
magnéticas oscuras y brillantes que son responsables de las variaciones en la
irradiación solar total. FUENTE: Cortesía de P. Foukal, Heliophysics, Inc.
En las conclusiones de un debate llevado a
cabo en una mesa redonda, los investigadores identificaron varios próximos
pasos posibles. El más importante entre ellos es el despliegue de una cámara de
imágenes radiométricas. Los aparatos que actualmente miden la irradiación solar
total (IST) reducen todo el Sol a una única cifra: la luminosidad total
combinada de todas las latitudes y longitudes en todas las longitudes de onda.
Este valor integrado se convierte en un punto solitario en una secuencia de
tiempo que monitoriza la producción del Sol.
De hecho, como indicó Peter Foukal, de
Heliophysics, Inc., la situación es más complicada que eso. El Sol no es una
esfera sin rasgos de luminosidad uniforme. El disco solar exhibe motas, que son
los centros oscuros de las manchas solares, y está salpicado de zonas
magnéticas brillantes conocidas como fáculas. Las imágenes radiométricas
permitirían, fundamentalmente, confeccionar un mapa de la superficie del Sol y
revelar cuál es la contribución de cada una de ellas a la luminosidad solar.
Las fáculas son de particular interés. A diferencia de las oscuras manchas
solares, las brillantes fáculas no se desvanecen durante los mínimos solares.
Esta puede ser la razón de por qué los registros paleoclimáticos de C–14 y
Be–10, que son isótopos sensibles a la actividad solar, muestran el ciclo de 11
años actuando débilmente incluso durante el Mínimo de Maunder. Una cámara de
imágenes radiométricas, desplegada a bordo de algún futuro observatorio
espacial, permitiría a los investigadores desarrollar el entendimiento
necesario para proyectar el vínculo entre el Sol y el clima hacia una futura
etapa de ausencia prolongada de manchas solares.
Algunos participantes recalcaron la
necesidad de poner los datos sobre el clima y el Sol en formatos estándar y
permitir una amplia disponibilidad de ellos con el fin de fomentar los estudios
interdisciplinarios. Debido a que los mecanismos de la influencia solar sobre
el clima son tan complicados, es necesario que colaboren investigadores de
muchos campos para, de esta manera, crear modelos exitosamente y así comparar
los resultados. Para este fin, es crucial continuar y mejorar la colaboración
entre la NASA, la NOAA y la NSF (sigla en idioma inglés de National Science
Foundation o Fundación Nacional de Ciencia, en idioma español).
Hal Maring, quien es un científico del
clima, de la oficina central de la NASA, y que ha estudiado el informe, comenta
que "los participantes sugirieron muchas posibilidades interesantes. Sin
embargo, muy pocas, si es que hubo alguna, han sido cuantificadas al punto en
que podamos decir definitivamente cuál es su impacto sobre el clima".
Convertir estas posibilidades en modelos concretos y físicamente completos es
el reto principal que enfrentan los investigadores.
Finalmente, muchos participantes recalcaron
la dificultad que existe para descifrar el vínculo entre el Sol y el clima a
partir de registros paleoclimáticos, como los anillos de los árboles y los
núcleos de hielo. Las variaciones del campo magnético terrestre y de la
circulación atmosférica pueden afectar la precipitación de radioisótopos mucho
más que la actividad solar. Un registro más apropiado, a largo plazo, de la
irradiación solar podría estar escondido en las rocas o los sedimentos de la
Luna o de Marte. Estudiar otros mundos podría ser la clave para comprender el
nuestro.
El informe completo, denominado: "The
Effects of Solar Variability on Earth's Climate" ("Los Efectos de la
Variabilidad Solar sobre el Clima Terrestre"), puede consultarse (en
idioma inglés) en la página de National Academies Press en: http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=13519.
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Créditos y Contactos
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Funcionaria Responsable de NASA: Ruth Netting
Editor de Producción: Dr. Tony Phillips |
Traducción al Español: Juan C. Toledo
Editora en Español: Angela Atadía de Borghetti Formato: Juan C. Toledo |
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