La actividad solar y las mareas gravitatorias inducidas por el movimiento planetario

Dibujo20130130 11-year cyclical variation number sunspots and proxy equivalents carbon-14 and beryllium-10

El número de manchas solares muestra una variación cíclica con una periodo de unos 11 años. El astrónomo suizo Rudolf Wolf (1816-1893) estableció una posible relación entre este ciclo y los movimientos de los planetas. George Ellery Hale descubrió que el magnetismo solar daba origen a las manchas y se descartó la idea de Wolf (mucha gente aún la asocia a la astrología). Un nuevo estudio publicado en Astronomy & Astrophysics rescata la idea y la hace renacer con nuevos bríos. José A. Abreu (ETH Zürich Institut für Geophysik, Zürich, Suiza) y sus colegas sugieren que el magnetismo solar está perturbado por el momento angular debido a la fuerza gravitatoria de los planetas en el sistema solar. Han estudiado la variación periódica en los últimos 9400 años de un par de isótopos radiactivos, el berilio-10 y el carbono-14, en testigos de hielo de la Antártida y de Groenlandia. Para su sorpresa, la serie temporal muestra una fuerte correlación con el momento angular total del movimiento de los planetas; más aún, en los últimos 400 años también lo está con la actividad solar (como muestra la figura). Usando métodos de Montecarlo estiman que la probabilidad de que esta correlación sea casual es menor de una parte en un millón. Según Abreu y sus colegas, el momento angular planetario induce una pequeña asfericidad en el sol que afecta a la convección en sus capas interiores y gracias a ella al magnetismo solar. ¿Homeopatía astrológica? Quizás, pero habrá que esperar a futuros estudios mediante simulaciones magnetohidrodinámicas en supercomputadores para comprobar si un efecto tan pequeño puede ser amplificado por la dinámica no lineal asociada a la actividad solar. Por cierto, la teoría convencional explica la variación periódica de la actividad aludiendo al forzamiento estocástico en la dinámica turbulenta del interior del Sol. Si ya tenemos una explicación, ¿para qué queremos una nueva? Lo cierto es que la ciencia avanza gracias a las hipótesis. Nos lo ha contado Paul Charbonneau, “Solar physics: The planetary hypothesis revived,” Nature 493: 613-614, 31 Jan 2013, que se hace eco del artículo técnico de J. A. Abreu, “Is there a planetary influence on solar activity?,” Astronomy & Astrophysics 548: A88, Dec 2012.

Por cierto, entre los autores del artículo se encuentra el investigador Antonio Ferriz-Mas del Grupo de Física Solar del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) y profesor en la Universidad de Vigo, como nos destacó “Los planetas podrían influir en la actividad magnética del Sol,” IAA (CSIC), SINC, 28 Nov 2012. “El Sol no rota rígidamente, posee una rotación diferencial y las regiones en el ecuador rotan más rápido que las de los polos. Esta rotación diferencial se da tan solo en el 30% más externo del Sol, en la llamada zona de convección, más abajo, en la zona radiativa, la rotación es rígida. Entre ambas zonas existe una capa, la tacoclina, crucial para el almacenamiento y amplificación del campo magnético solar (en ella se localizarían los tubos de flujo magnético que originan las manchas solares que se observan en la superficie). Una tacoclina un poco achatada, sin simetría axial, podría ser influida por los pares de fuerzas debidos al efecto de marea gravitatoria influido por el movimiento de los planetas (un fenómeno parecido a cómo la Luna y el Sol producen las mareas en los océanos terrestres). ¿Este pequeño efecto de marea podría ser suficiente para afectar la capacidad de la tacoclina para almacenar los tubos de flujo magnético?” Habrá que esperar a futuros estudios que apoyen o refuten esta sugerente idea.

Simulaciones por ordenador descubren la causa de la disminución de manchas solares en el último ciclo solar

El número de manchas solares observadas en la superficie del Sol varía de forma periódica, pasando por máximos y mínimos sucesivos. Tras el último ciclo solar, el 23, el Sol entró en un mínimo prolongado caracterizado por un campo polar magnético muy débil y gran número de días sin manchas solares. Las manchas solares son regiones fuertemente magnetizadas generadas por un mecanismo de dinamo que recrea campos magnéticos polares a través de los flujos de plasma hacia la superficie solar. Nandy et al. han desarrollado simulaciones por ordenador que demuestran que un flujo meridional rápido en la primera mitad de un ciclo, seguido por un flujo más lento en la segunda mitad, reproduce las características del mínimo de manchas solares en el ciclo 23, llegando a la conclusión de que los mínimos muy profundos están asociados con campos polares débiles. El artículo técnico es Dibyendu Nandy, Andrés Muñoz-Jaramillo, Petrus C. H. Martens, “The unusual minimum of sunspot cycle 23 caused by meridional plasma flow variations,” Nature 471: 80–82, 03 March 2011. Más información divulgativa en español en Jesús Cobas, “Resuelto el misterioso caso de la disminución de manchas solares,” Jesús Cobas, 02 marzo 2011, que ha traducido a Charles Q. Choi, “Mysterious Case of Missing Sunspots Solved,” SPACE.com, 02 March 2011. Y también en

Las observaciones telescópicas pioneras de Galileo Galilei y de Christopher Scheiner en el siglo XVII iniciaron la observación y contaje de las manchas solares. Unos 400 años de de observación han mostrado que sólo en el período 1645-1715 dC, conocido como el mínimo de Maunder, cuando casi no se observaron manchas solares, la serie temporal de las manchas solares muestra una variación cíclica pasando por épocas sucesivas de máxima y mínima actividad. El nuevo artículo ha desarrollado un nuevo modelo de la dinámica solar que resuelve las ecuaciones de evolución para las componentes toroidal y poloidal del campo magnético solar (escritas en la figura) con las que han estudiado más de 210 ciclos solares correspondientes a 1.860 años. Estas simulaciones estudian el efecto del cambio de los flujos meridionales mediante la introducción de fluctuaciones en el flujo meridional.

En la gráfica inferior izquierda de la figura, vn es la velocidad del flujo durante el mínimo de manchas solares del ciclo n, vn−1 es la velocidad durante la parte más temprana del ciclo, donde el númeor de manchas está creciendo, y vn−vn−1 denota el cambio en la velocidad de flujo entre las partes del ciclo donde el número de manchas cae y crece durante un ciclo. Los autores han observado una buena correlación entre la fuerza del campo polar y la diferencia vn−vn−1 con un coeficiente de correlación r = 0’87 con probabilidad P = 99’99%. La conclusión es que un cambio del flujo meridional interno de rápido a lento resulta en mínimos solares profundos. Los resultados del modelo son robustos con respecto a cambios razonables en la parámetros del sistema.

Estos resultados obtenidos gracias a simulaciones por ordenador deberán ser confirmados por los experimentos. Los autores esperan que el Observatorio de Dinámica Solar (SDO) de la NASA proporcionará datos más precisos sobre la estructura de los flujos de plasma en el interior del Sol que podrán confirmar y/o complementar los resultados de sus simulaciones.

El caos determinista y la impredecibilidad de las manchas solares

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La actividad solar diaria es caótica (caos determinista). Por ello, predecir las manchas solares es tan difícil como predecir el tiempo meteorológico. Una predicción más allá de unas pocas semanas es prácticamente imposible. La razón última es la dinámica turbulenta de los campos magnéticos poloidales en la zona convectiva solar. Esta convección térmica turbulenta provoca la desestabilización del campo magnético y la emergencia de campos toroidales en forma de tubos curvados cuyos dos extremos forman sendas manchas solares de polaridad opuesta. Lo ha demostrado Alexander Bershadskii gracias a la correlación observada entre el mayor de los exponentes de Lyapunov de la dinámica diaria del número de manchas solares y el asociado a la velocidad promedio del viento en experimentos de laboratorio para la convección de Rayleigh-Bernard. El artículo técnico es  A. Bershadskii, “Chaotic mean wind in turbulent thermal convection and long-term correlations in solar activity,” ArXiv, Submitted on 27 Aug 2009.

Los campos magnéticos solares producen las manchas solares en la zona convectiva solar (el 30% superior del interior del Sol, que rodea a la núcleo radiante). El Sol rota más rápido en el ecuador que en los polos, por lo que los campos magnéticos poloidales (de norte a sur) se doblan en la direccción este-oeste (campo toroidal). Estos campos toroidales alcanzan la superficie solar produciendo la emergencia de las manchas solares.

Los exponentes de Lyapunov son una de las maneras más sencillas para observar la existencia de caos determinista en un sistemad dinámico. Miden la separación (exponencial) entre dos trayectorias del sistema que se inician en puntos (infinitamente) cercanos tras un cierto tiempo. En teoría el cálculo exacto de los exponentes de Lyapunov (que son números reales) requiere una integración (o solución) numérica durante un tiempo infinitamente largo, sin embargo, en la práctica hay algoritmos que (cuando convergen) aproximan su valor con un coste razonable. Un sistema dinámico presenta evidencia de caos determinista si el mayor exponente de Lyapunov es positivo.

Para una serie temporal, como en el número diario de manchas solares durante el periodo de 1850 a 1944, el mayor exponente de Lyapunov converge claramente a un valor positivo igual a 0.0047 (día-1), lo que ratifica que la dinámica de las manchas solares es caóticodeterminista. Entre 1964 y 2008 se obtiene un valor similar. Sin embargo, entre 1944 y 1964 hubo dos ciclos solares (de 11 años) especialmente intensos, que Bershadskii ha considerado como “excepcionales” y no los ha tenido en cuenta en su análisis.

El análisis de Bershadskii ha mostrado varios ciclos de periodo corto asociados a las manchas solares (menores de 11 años). Entre ellos un ciclo de aproximadamente 27 días que corresponde a una rotación completa del Sol a una latitud de 260 grados (la latitud típica de las manchas solares). Este ciclo indica el límite teórico para la predictibilidad de las manchas solares. Predecirlas más allá de unos 3 semanas es prácticamente imposible, como es prácticamente imposible predecir el tiempo meteorológico más de allá de unas 2 semanas.

Bershadskii también ha encontrado ciclos cortos de 660 días (en el periodo de 1850-1944) y de 670 días (en 1964-2008) que se correlacionan con el periodo normalizado de la circulación promedio del viento térmico solar, lo que hace pensar que el secreto del caos determinista de las manchas solares es la magnetohidrodinámica turbulenta de la zona convectiva solar.

En resumen, un artículo interesante como lectura este año en el que el inicio del ciclo solar número 24 parece que se está retrasando. También os gustará recordar “¿Resuelto el caso de las manchas solares perdidas?,” Ciencia Kanija, 18-06-2009.

Ra, Dios Sol y el declive de las grandes civilizaciones

¿Por qué desapareció la civilización Maya en el s. IX d.C? ¿Por qué se vino abajo en la misma época la dinastía china de los Tang? El artículo Pingzhong Zhang et al. “A Test of Climate, Sun, and Culture Relationships from an 1810-Year Chinese Cave Record,” Science, 322: 940-942, 7 November 2008 , comentado por Richard A. Kerr, “Chinese Cave Speaks of a Fickle Sun Bringing Down Ancient Dynasties,” Science, 322:837-838, 7 November 2008 , ofrece una respuesta: la actividad solar. Los registros en estalagmitas en la cueva china de Wanxiang muestran un debilitamiento en la actividad solar en dicha época.

Ra haciendo de las suyas. Por supuesto, en un campo tan controvertido como la influencia del Sol en el declive de las grandes civilizaciones, esta no puede ser la última palabra. Para la estalagmita estudiada muestra un registro tan claro que ha causado una gran conmoción en el campo de la paleoclimatología.

Iba a escribir una entrada más extensa, pero he descubierto que no lo puedo hacer mucho mejor que Pedro Cáceres, “Una estalagmita desvela la relación entre el monzón y el destino de las dinastías chinas,” El Mundo, 7 nov. 2008 , que incluye una foto hipnótica de la cueva.

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