15.4: Clima Espacial

Objetivos de aprendizaje

Al final de esta sección, podrás:

• Explicar qué es el clima espacial y cómo afecta a la Tierra

En las secciones anteriores, hemos visto que algunas de las partículas que salen del Sol —ya sea de manera constante como en el viento solar o en grandes estallidos como los CMES— llegarán a la Tierra y a su magnetosfera (la zona de influencia magnética que rodea nuestro planeta). Como si los científicos no tuvieran suficientes problemas para tratar de predecir el clima en la Tierra, esto significa que ahora se enfrentan al reto de predecir los efectos de las tormentas solares en la Tierra. Este campo de investigación se llama clima espacial; cuando ese clima se vuelve tormentoso, nuestra tecnología resulta estar en riesgo.

Con miles de satélites en órbita, astronautas que toman residencia de larga duración en la Estación Espacial Internacional, millones de personas que utilizan teléfonos celulares, GPS y comunicación inalámbrica, y casi todos confiando en la disponibilidad de energía eléctrica confiable, los gobiernos ahora están haciendo grandes inversiones en tratando de aprender a predecir cuándo ocurrirán las tormentas solares y con qué fuerza afectarán a la Tierra.

Algo de Historia

Lo que ahora estudiamos como clima espacial fue reconocido por primera vez (aunque aún no comprendido) en 1859, en lo que ahora se conoce como el Evento de Carrington. A principios de septiembre de ese año, dos astrónomos aficionados, entre ellos Richard Carrington en Inglaterra, observaron de forma independiente una llamarada solar. Esto fue seguido uno o dos días después por una tormenta solar significativa que llegó a la región del campo magnético de la Tierra, que pronto se sobrecargó con partículas cargadas (ver la Tierra como un Planeta).

Como resultado, la actividad de las auroras fue intensa y las auroras boreales fueron visibles mucho más allá de sus ubicaciones normales cerca de los polos, tan al sur como Hawai y el Caribe. Las luces resplandecientes en el cielo eran tan intensas que algunas personas informaron haberse levantado en mitad de la noche, pensando que debía ser de luz del día.

La tormenta solar de 1859 ocurrió en un momento en que una nueva tecnología comenzaba a unir a personas en Estados Unidos y algunos otros países: el sistema telegráfico. Esta era una máquina y una red para enviar mensajes en código a través de cables eléctricos aéreos (un poco como una versión muy temprana de internet). Las partículas cargadas que abrumaron el campo magnético de la Tierra descendieron hacia la superficie de nuestro planeta y afectaron los cables del sistema telegráfico. Se vieron chispas saliendo de cables expuestos y de las máquinas telegráficas en las oficinas del sistema.

La observación de la llamarada brillante que precedió a estos efectos en la Tierra llevó a la especulación científica de que existía una conexión entre la actividad solar y los impactos en la Tierra; este fue el comienzo de nuestra comprensión de lo que hoy llamamos clima espacial.

Observe a los científicos de la NASA responder algunas preguntas sobre el clima espacial y discutir algunos efectos que puede tener en el espacio y en la Tierra.

Fuentes de Clima Espacial

Tres fenómenos solares —agujeros coronales, llamaradas solares y CMES— representan la mayor parte del clima espacial que experimentamos. Los agujeros coronales permiten que el viento solar fluya libremente lejos del Sol, sin obstáculos por los campos magnéticos solares. Cuando el viento solar llega a la Tierra, como vimos, hace que la magnetosfera de la Tierra se contraiga y luego se expanda después de que pase el viento solar. Estos cambios pueden causar (generalmente leves) perturbaciones electromagnéticas en la Tierra.

Más graves son las llamaradas solares, que bañan la atmósfera superior de la Tierra con rayos X, partículas energéticas y radiación ultravioleta intensa. Los rayos X y la radiación ultravioleta pueden ionizar átomos en la atmósfera superior de la Tierra, y los electrones liberados pueden acumular una carga en la superficie de una nave espacial. Cuando esta carga estática se descarga, puede dañar la electrónica de la nave espacial, así como puede recibir un choque cuando cruza una alfombra en sus pies de media en un clima seco y luego toca un interruptor de luz o algún otro objeto metálico.

Las más disruptivas son las eyecciones de masa coronal. Un CME es una burbuja en erupción de decenas de millones de toneladas de gas sopladas del Sol al espacio. Cuando esta burbuja llega a la Tierra pocos días después de abandonar el Sol, calienta la ionosfera, que se expande y llega más lejos al espacio. Como consecuencia, aumenta la fricción entre la atmósfera y las naves espaciales, arrastrando satélites a altitudes más bajas.

En el momento de una llamarada particularmente fuerte y CME en marzo de 1989, el sistema encargado de rastrear unos 19,000 objetos que orbitaban la Tierra perdió temporalmente la pista de 11 mil de ellos debido a que sus órbitas fueron cambiadas por la expansión de la atmósfera terrestre. Durante el máximo solar, una serie de satélites son llevados a una altitud tan baja que son destruidos por la fricción con la atmósfera. Tanto el Telescopio Espacial Hubble como la Estación Espacial Internacional (Figura\(\PageIndex{1}\)) requieren de reinicios a mayor altitud para que puedan permanecer en órbita.

Figura Estación Espacial\(\PageIndex{1}\) Internacional. La Estación Espacial Internacional es vista sobre la Tierra, tal y como fue fotografiada en 2010 por la tripulación que partió del Transbordador Espacial Atlantis. (crédito: NASA)

Daños por Tormenta Solar en la Tierra

Cuando un CME llega a la Tierra, distorsiona el campo magnético de la Tierra. Dado que un campo magnético cambiante induce corriente eléctrica, el CME acelera los electrones, a veces a velocidades muy altas. Estos “electrones asesinos” pueden penetrar profundamente en los satélites, a veces destruyendo su electrónica y desactivando permanentemente la operación. Esto ha ocurrido con algunos satélites de comunicaciones.

Las perturbaciones en el campo magnético de la Tierra pueden causar interrupciones en las comunicaciones, especialmente los teléfonos celulares y los sistemas inalámbricos. De hecho, se puede esperar que las interrupciones ocurran varias veces al año durante el máximo solar. Los cambios en el campo magnético de la Tierra debido a las CME también pueden causar sobretensiones en las líneas eléctricas lo suficientemente grandes como para quemar transformadores y causar cortes de energía importantes. Por ejemplo, en 1989, partes de Montreal y la provincia de Quebec en Canadá estuvieron sin energía eléctrica hasta por 9 horas como resultado de una gran tormenta solar. Los cortes eléctricos debidos a CMEs son más propensos a ocurrir en América del Norte que en Europa porque América del Norte está más cerca del polo magnético de la Tierra, donde las corrientes inducidas por las CME son más fuertes.

Además de cambiar las órbitas de los satélites, las CME también pueden distorsionar las señales enviadas por ellos. Estos efectos pueden ser lo suficientemente grandes como para reducir la precisión de las posiciones derivadas de GPS para que no puedan cumplir con los límites requeridos para los sistemas de aviones, los cuales deben conocer sus posiciones a menos de 160 pies. Tales perturbaciones provocadas por las CME han obligado ocasionalmente a la Administración Federal de Aviación a restringir los vuelos por minutos o, en algunos casos, incluso días.

Las tormentas solares también exponen a astronautas, pasajeros en aviones de alto vuelo e incluso a personas en la superficie de la Tierra a mayores cantidades de radiación. Los astronautas, por ejemplo, están limitados en la cantidad total de radiación a la que pueden estar expuestos durante sus carreras. Un solo estallido solar inoportuno podría poner fin a la carrera de un astronauta. Este problema se vuelve cada vez más grave a medida que los astronautas pasan más tiempo en el espacio. Por ejemplo, la dosis diaria típica de radiación a bordo de la estación espacial rusa Mir equivalía a unas ocho radiografías de tórax. Uno de los principales desafíos en la planificación de la exploración humana de Marte es idear una manera de proteger a los astronautas de la radiación solar de alta energía.

La advertencia anticipada de tormentas solares nos ayudaría a minimizar sus efectos disruptivos. Las redes eléctricas podrían funcionar a menos de su capacidad total para que pudieran absorber los efectos de las sobretensiones. Las redes de comunicaciones podrían estar preparadas para el mal funcionamiento y tener planes de respaldo implementados. Los paseos espaciales podrían ser cronometrados para evitar grandes arrebatos solares. Los científicos ahora están tratando de encontrar formas de predecir dónde y cuándo ocurrirán las bengalas y las CME, y si serán eventos grandes, rápidos o pequeños, lentos con pocas consecuencias para la Tierra.

La estrategia es relacionar los cambios en la aparición de regiones pequeñas y activas y los cambios en los campos magnéticos locales en el Sol con erupciones posteriores. Sin embargo, en este momento, nuestra capacidad predictiva sigue siendo pobre, por lo que la única advertencia real que tenemos es al ver que ocurren las CME y las bengalas. Dado que un CME viaja hacia afuera a unos 500 kilómetros por segundo, una observación de una erupción proporciona varios días de alerta a la distancia de la Tierra. Sin embargo, la gravedad del impacto en la Tierra depende de cómo se orienta el campo magnético asociado con el CME en relación con el campo magnético de la Tierra. La orientación sólo se puede medir cuando el CME fluye más allá de un satélite que hemos puesto para ello. Sin embargo, se encuentra a solo una hora aguas arriba de la Tierra.

Las predicciones del tiempo espacial ya están disponibles en línea para los científicos y el público. Las previsiones se dan con una semana de anticipación, se emiten boletines cuando hay un evento que probablemente sea de interés para el público, y se publican advertencias y alertas cuando un evento es inminente o ya está en curso (Figura\(\PageIndex{2}\)).

Figura\(\PageIndex{2}\) NOAA Centro de Operaciones de Predicción Meteorológica Espacial. Bill Murtagh, un pronosticador del clima espacial, lidera un taller sobre preparación para eventos como tormentas geomagnéticas.

Para encontrar información pública y alertas sobre el clima espacial, puede acudir al Centro Nacional de Predicción del Clima Espacial o al SpaceWeather para obtener información consolidada de muchas fuentes.

Afortunadamente, podemos esperar un clima espacial más tranquilo para los próximos años, ya que el máximo solar más reciente, que fue relativamente débil, ocurrió en 2014, y los científicos creen que el ciclo solar actual es uno de los menos activos en la historia reciente. Esperamos que se lancen más satélites que nos permitan determinar si las CME se dirigen hacia la Tierra y qué tan grandes son. Se están desarrollando modelos que luego permitirán a los científicos utilizar información temprana sobre el CME para predecir su probable impacto en la Tierra.

La esperanza es que para el momento del próximo máximo, el pronóstico del tiempo solar tenga parte de la capacidad predictiva que los meteorólogos han logrado para el clima terrestre en la superficie de la Tierra. Sin embargo, los eventos más difíciles de predecir son las tormentas más grandes y dañinas: huracanes en la Tierra y eventos extremos y raros de tormenta en el Sol. Así, es inevitable que el Sol nos siga sorprendiendo.

Ejemplo\(\PageIndex{1}\): el momento de los eventos solares

Una ecuación básica es útil para determinar cuándo los eventos en el Sol impactarán en la Tierra:

\[ \text{distance } = \text{ velocity } \times \text{ time, or } D=v \times t \nonumber\]

Dividiendo ambos lados por\(v\), obtenemos

\[T=D/v \nonumber\]

Supongamos que observa una llamarada solar importante mientras los astronautas están orbitando la Tierra. Si la velocidad promedio del viento solar es de 400 km/s y la distancia al Sol es de 1.496 × 10 ⁸ km, ¿cuánto tiempo pasará antes de que las partículas cargadas expulsadas del Sol durante la llamarada lleguen a la estación espacial?

Solución

El tiempo requerido para que las partículas de viento solar lleguen a la Tierra es\(T = D/v\).

\[ \frac{1.496 \times 10^8 \text{ km}}{400 \text{ km/s}}=3.74 \times 10^5 \text{ s, or } \frac{3.74 \times 10^5 \text{ s}}{60 \text{ s/min} \times 60 \text{ min/h} \times 24 \text{ h/d}} = 4.3 \text{ d} \nonumber\]

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

¿Cuántos días tardarían las partículas en llegar a la Tierra si la velocidad del viento solar aumentara a 500 km/s?

Contestar

\[ \frac{1.496 \times 10^8 \text{ km}}{500 \text{ km/s}}=2.99 \times 10^5 \text{ s, or } \frac{2.99 \times 10^5 \text{ s}}{60 \text{ s/min} \times 60 \text{ min/h} \times 24 \text{ h/d}} =3.46 \text{ d} \nonumber\]

El clima de la Tierra y el Ciclo de las Manchas Solares: ¿Existe una Conexión?

Si bien el Sol sale fielmente todos los días en un momento que se puede calcular con precisión, los científicos han determinado que la producción de energía del Sol no es realmente constante sino que varía a lo largo de los siglos en una pequeña cantidad, probablemente menos del 1%. Hemos visto que el número de manchas solares varía, con el tiempo entre máximos de manchas solares de alrededor de 11 años, y que el número de manchas solares como máximo no siempre es el mismo. Evidencia considerable muestra que entre los años 1645 y 1715, el número de manchas solares, incluso al máximo de manchas solares, fue mucho menor de lo que es ahora. Este intervalo de números significativamente bajos de manchas solares fue anotado por primera vez por Gustav Sphrer en 1887 y luego por E. W. Maunder en 1890; ahora se llama el Mínimo Maunder. La variación en el número de manchas solares en los últimos tres siglos se muestra en la Figura\(\PageIndex{3}\). Además del Mínimo de Maunder en el siglo XVII, los números de manchas solares fueron algo menores durante la primera parte del siglo XIX de lo que son ahora; este periodo se llama el Mínimo Pequeño Maunder.

Figura\(\PageIndex{3}\) Números de Manchas Solares a lo Largo del Tiempo. Este diagrama muestra cómo el número de manchas solares ha cambiado con el tiempo desde que los recuentos de los números de manchas comenzaron a registrarse en una escala consistente. Cabe destacar el bajo número de manchas durante los primeros años del siglo XIX, el Mínimo Pequeño Maunder.

Cuando el número de manchas solares es alto, el Sol también está activo de varias otras formas y, como veremos en varias secciones a continuación, parte de esta actividad afecta directamente a la Tierra. Por ejemplo, hay más pantallas aurorales cuando el número de manchas solares es alto. Las auroras son causadas cuando las partículas cargadas energéticamente del Sol interactúan con la magnetosfera de la Tierra, y es más probable que el Sol arroje partículas cuando está activo y el número de manchas solares es alto. Los relatos históricos también indican que la actividad auroral fue anormalmente baja a lo largo de las varias décadas del Mínimo de Maunder.

El Mínimo de Maunder fue una época de temperaturas excepcionalmente bajas en Europa, tan bajas que este período se describe como la Pequeña Edad de Hielo. Esta coincidencia en el tiempo provocó que los científicos intentaran entender si pequeños cambios en el Sol podrían afectar el clima en la Tierra. Hay evidencias claras de que hacía un frío inusualmente en Europa durante parte del siglo XVII. El río Támesis en Londres se congeló al menos 11 veces, el hielo apareció en los océanos frente a las costas del sureste de Inglaterra, y las bajas temperaturas estivales llevaron a temporadas de crecimiento cortas y malas cosechas. Sin embargo, si y cómo los cambios en el Sol en esta escala de tiempo influyen en el clima de la Tierra sigue siendo un tema de debate entre los científicos.

Otros pequeños cambios en el clima como la Pequeña Edad de Hielo han ocurrido y han tenido sus impactos en la historia humana. Por ejemplo, exploradores de Noruega primero colonizaron Islandia y luego llegaron a Groenlandia en 986. A partir de ahí, pudieron realizar repetidas visitas a las costas del noreste de América del Norte, incluida Terranova, entre alrededor de 1000 y 1350. (Los barcos de la época no permitían que los exploradores nórdicos viajaran directamente a Norteamérica, sino solo desde Groenlandia, que servía como estación para futuras exploraciones).

La mayor parte de Groenlandia está cubierta de hielo, y la estación de Groenlandia nunca fue autosuficiente; más bien, dependía de las importaciones de alimentos y otros bienes de Noruega para su supervivencia. Cuando comenzó una pequeña edad de hielo en el siglo XIII, el viaje se volvió muy difícil, y el apoyo a la colonia Groenlandia ya no era posible. El último contacto conocido con él lo hizo un barco procedente de Islandia que salió de rumbo en 1410. Cuando los barcos europeos volvieron a visitar Groenlandia en 1577, toda la colonia allí había desaparecido.

Las fechas estimadas para estos patrones de migración siguen lo que sabemos sobre la actividad solar. La actividad solar fue inusualmente alta entre 1100 y 1250, lo que incluye la época en que se hicieron los primeros contactos europeos con América del Norte. La actividad fue baja de 1280 a 1340 y hubo una pequeña edad de hielo, que fue aproximadamente la época en que se detuvo el contacto regular con América del Norte y entre Groenlandia y Europa.

Uno debe ser cauteloso, sin embargo, al asumir que los números bajos de manchas solares o las variaciones en la producción de energía del Sol causaron la Pequeña Edad de Hielo. No existe un modelo satisfactorio que pueda explicar cómo una reducción en la actividad solar podría causar temperaturas más frías en la Tierra. Una posibilidad alternativa es que el clima frío durante la Pequeña Edad de Hielo estuvo relacionado con la actividad volcánica. Los volcanes pueden expulsar aerosoles (pequeñas gotas o partículas) a la atmósfera que reflejan eficientemente la luz solar. Las observaciones muestran, por ejemplo, que la erupción de Pinatubo en 1991 expulsó aerosoles SO ₂ a la atmósfera, lo que redujo la cantidad de luz solar que alcanzó la superficie de la Tierra lo suficiente como para bajar las temperaturas globales en 0.4 °C.

Los datos satelitales muestran que la producción de energía del Sol durante un ciclo solar varía solo alrededor de 0.1%. No conocemos ningún proceso físico que explique cómo una variación tan pequeña podría causar cambios de temperatura global. El nivel de actividad solar puede, sin embargo, tener otros efectos. Por ejemplo, aunque la producción total de energía del Sol varía solo 0.1% durante un ciclo solar, su radiación ultravioleta extrema es 10 veces mayor en momentos de máximo solar que en mínimos solares. Esta gran variación puede afectar la estructura química y de temperatura de la atmósfera superior. Un efecto podría ser una reducción en la capa de ozono y un enfriamiento de la estratosfera cerca de los polos de la Tierra. Esto, a su vez, podría cambiar los patrones de circulación de los vientos en alto y, de ahí, las huellas de las tormentas. Hay algunas evidencias recientes de que las variaciones en las precipitaciones regionales se correlacionan mejor con la actividad solar que la temperatura global de la Tierra. Pero, como pueden ver, la relación entre lo que sucede en el Sol y lo que sucede con el clima de la Tierra a corto plazo sigue siendo un área que los científicos están investigando y debatiendo.

Cualesquiera que sean los efectos de la actividad solar sobre las precipitaciones locales o los patrones de temperatura, queremos enfatizar una idea importante: Nuestros datos sobre el cambio climático y los modelos desarrollados para dar cuenta de los datos muestran consistentemente que la variabilidad solar no es la causa del calentamiento global que ha ocurrido durante los últimos 50 años.

Conceptos clave y resumen

El clima espacial es el efecto de la actividad solar en nuestro propio planeta, tanto en nuestra magnetosfera como en la superficie de la Tierra. Los agujeros coronales permiten que más material del Sol fluya hacia el espacio. Las llamaradas solares y las eyecciones de masa coronal pueden causar auroras, interrumpir las comunicaciones, dañar satélites y provocar cortes de energía en la Tierra.