Fenómenos solares y sus repercusiones en la Tierra

Las galaxias son sistemas espaciales extensos, unidos por la fuerza de gravedad y compuestos, principalmente, por gas, planetas, innumerables estrellas y polvo cósmico formado por partículas sólidas de hielo y piedra. 

* Este artículo fue publicado en la Revista Geociencias SURA | Edición 5 | Septiembre de 2019.

 

El Sol es apenas una entre más de 200 mil millones de estrellas que componen nuestra galaxia, la Vía Láctea. Desde este punto de vista, el Sol no es nada extraordinario en el Universo. Sin embargo, para la Tierra y los planetas que giran a su alrededor es un poderoso centro, ya que mantiene el Sistema Solar unido, genera luz, calor y energía vital, y es el responsable del clima espacial. 

La actividad asociada a la dinámica solar, conjugada con los avances tecnológicos de la humanidad, ha despertado el interés de la comunidad científica por entender en detalle la física del Sol y las repercusiones que este puede tener sobre la cotidianidad de la vida en la Tierra, teniendo en cuenta nuestra alta dependencia de los sistemas tecnológicos y su potencial afectación ante algunos fenómenos que se presentan en esta gran estrella. 

Dinámica del Sol 

Podemos describir el clima espacial como aquel sistema que regula las condiciones del ambiente que existe entre el Sol y la Tierra. El clima espacial hace referencia a los fenómenos energéticos ocurridos en el Sol que afectan sistemas y tecnologías en la órbita terrestre y su superficie. 

Antes de describir sus impactos en la Tierra, es necesario dar un contexto general del Sol y de su dinámica, con el fin de entender mejor los fenómenos que dan origen a las posibles afectaciones en nuestro planeta.

Estructura del ciclo solar 

Existen muchos tipos de estrellas. Entre ellas está el Sol, una estrella enana amarilla de tamaño medio que se formó hace miles de millones de años. Que el Sol se vea de color amarillo es un efecto óptico dado por la atmósfera terrestre, ya que los gases que la componen hacen que se perciban solo los tonos cálidos en la superficie de la Tierra, pero en realidad la estrella brilla en un tono blanco radiante. 

El Sol está compuesto por plasma, el cuarto estado de la materia. Este se genera al inyectar cantidades extremas de calor y energía al estado gaseoso de la materia, dando como resultado un gas cargado eléctricamente. El Sol es capaz de generar su propia energía mediante la fusión de los núcleos de átomos de hidrógeno. 

Debido a que las partículas que componen el Sol tienen carga positiva y negativa, en él se generan campos magnéticos que, con el movimiento del plasma sobre su estructura y en presencia de temperaturas extremas, causan grandes explosiones que son el motor del clima espacial. 

A partir del entendimiento que se ha desarrollado en torno al Sol, la comunidad científica ha establecido que la actividad solar presenta un ciclo que dura aproximadamente once años, el cual es impulsado por su campo magnético. 

La atmósfera del Sol está sujeta a grandes explosiones como consecuencia de su composición y de la interacción de los campos magnéticos generados por las partículas con carga eléctrica. Cada explosión convierte la energía magnética en otras formas de energía y hacen que el Sol alcance un estado más tranquilo. En ese momento, el Sol experimenta lo que se conoce como mínimo solar y allí se marca el inicio de un nuevo ciclo. En este estado, las explosiones son menos frecuentes, por lo tanto, la Tierra tiene menos probabilidad de verse afectada por la actividad solar. 

Una vez comienza un nuevo ciclo solar, el campo magnético del Sol aumenta su actividad hasta alcanzar su máximo nivel. En este punto, el Sol presenta su mayor actividad energética, lo cual incrementa la aparición de manchas solares. Estas se ven como regiones oscuras en la superficie del astro, debido a que la cantidad de energía que experimenta la zona impide que el calor del interior del Sol emane a la superficie, generando temperaturas menores que las de su entorno. 

Un mayor número de manchas hace más intenso el clima solar. Esto significa que el Sol emite más energía y, de este modo, los fenómenos que afectan a nuestro planeta se vuelven más probables y comunes. 

 

Fenómenos energéticos asociados a la dinámica solar 

Los procesos asociados a la física y a la dinámica del Sol generan fenómenos energéticos que tienen repercusiones sobre el ambiente espacial comprendido entre el Sol y la Tierra. Algunos de estos son: 

Erupciones solares 

Erupciones de radiación electromagnética que ocurren en la superficie del Sol y pueden durar desde minutos hasta algunas horas.
 Se presentan cuando las líneas del campo magnético se entrelazan de tal forma que se genera una ruptura que libera toda la energía almacenada en ellas. Teniendo en cuenta que la energía electromagnética viaja a la velocidad de la luz, el efecto de las erupciones solares en nuestro planeta se percibe pocos minutos después de que se observa el evento en el Sol. 

Eyecciones de masa coronal o CME (Coronal Mass Ejections)

Enormes emisiones de plasma (materia) y campo magnético que se originan en regiones magnéticamente perturbadas de la atmósfera del Sol y que, en el transcurso de varias horas, se expulsan hacia el espacio. La mayoría de las veces son precedidas por erupciones solares. 

Estas emisiones representan las explosiones más importantes y violentas del Sistema Solar. Las CME pueden viajar a velocidades que van desde 250 km/s hasta 3.000 km/s, las más rápidas pueden tardar en llegar a la Tierra entre 15 y 18 horas, mientras que las más lentas se pueden demorar varios días. A medida que se alejan del Sol, las eyecciones aumentan el tamaño y pueden canalizar hacia nuestro planeta partículas que alteran su campo magnético y crean perturbaciones en él. 

Partículas energéticas o SEP (Solar Energetic Particles) 

Partículas de plasma altamente cargadas de energía y transportadas en el viento solar. Por la energía liberada, estas partículas se aceleran en los lugares donde ocurren explosiones en el Sol, como eyecciones de masa y erupciones solares. 

Las partículas pueden ser aceleradas a fracciones significativas de la velocidad de la luz y el evento puede durar desde pocas horas hasta varios días. Estas partículas representan aumentos repentinos en la intensidad de la radiación en la Tierra. 

Viento solar 

El Sol emite plasma constantemente hacia el espacio debido a su composición y a la actividad en la superficie. Este flujo de partículas es conocido como viento solar y tiene gran potencial de afectar a la Tierra dependiendo de la región del Sol donde se produzca, de su velocidad, densidad y del campo magnético que arrastre. El viento solar originado en los polos y en las altas latitudes del Sol es de alta velocidad (puede alcanzar los 800 km/s), mientras que el originado en el ecuador solar (el que llega a la Tierra), es de baja velocidad (alrededor de los 400 km/s). 

 

“¿Cuánta energía libera una erupción solar? Se puede hacer la comparación entre el consumo anual de energía mundial, que es de aproximadamente 1020 Joules, y una sola erupción solar, que libera 1025 Joules”. 

Antti Pulkkinen, subdirector del Departamento de Heliofísica de la NASA.

 

Repercusiones de la dinámica solar en la Tierra 

Las consecuencias que tiene la dinámica solar en la Tierra se pueden manifestar de tres maneras relacionadas entre sí: auroras boreales y australes, tormentas ionosféricas y tormentas geomagnéticas. Cada una puede tener un nivel de impacto mayor sobre nuestro planeta, dependiendo de la velocidad a la que lleguen estos fenómenos y de la magnitud del impacto. 

 

Auroras boreales y australes 

Dependiendo de la severidad y, en algunos casos, del lugar del Sol en que se presenten los fenómenos energéticos, hay diferentes tipos de afectaciones en la Tierra. Las más conocidas son las auroras boreales (en el hemisferio norte) y las australes (en el hemisferio sur). 

Las luces polares son uno de los efectos generados por la actividad solar. Ocurren debido a la colisión de partículas cargadas con la alta atmósfera. 

Las partículas cargadas siguen el campo magnético de la Tierra hacia las regiones polares donde, al chocar con átomos y moléculas de oxígeno y de nitrógeno, transfieren la energía contenida en ellos hacia la atmósfera terrestre, lo que hace que los átomos y moléculas de oxígeno y nitrógeno entren en estados de mayor energía, liberándola en forma de luz. 

 

Tormentas ionosféricas 

La ionósfera es la capa de la atmósfera que está cargada eléctricamente, debido a esto, es la capa que tiene el mayor impacto en la propagación de las ondas electromagnéticas, lo que se traduce en comunicación, ya sea entre diferentes partes de la Tierra (por medio de ondas de radio) o entre el espacio exterior y nuestro planeta (comunicación satelital). 

La ionósfera es particularmente sensible a las variaciones de energía que entran desde el Sol. Puede cambiar su densidad y afectar la forma en la que las ondas electromagnéticas viajan a través de ella. 

La actividad solar puede causar que las ondas de radio de alta frecuencia (HF, por sus siglas en inglés) que viajan por esta capa se degraden o se absorban completamente. Esto genera la interrupción de las comunicaciones de radio de largo alcance. Estas ondas de alta frecuencia son utilizadas por estaciones internacionales de radio, estaciones meteorológicas, la comunicación océano-tierra en navegación y aire-tierra en aviación, radio ciudadana, gubernamental y militar, algunos sistemas de radar y el sistema mundial de socorro y seguridad marítimos. 

 

Perturbación del campo magnético de la tierra 

Tormentas geomagnéticas 

Otra de las repercusiones del clima espacial en la Tierra se da por la interacción entre las grandes explosiones ocurridas en el Sol y el comportamiento del campo magnético terrestre. Las variaciones en el campo magnético de nuestro planeta se pueden medir desde la superficie terrestre y son esas fluctuaciones las que reciben el nombre de tormentas geomagnéticas. 

Cuando hay una entrada de masa, energía y de cantidad de movimiento al campo magnético de la Tierra por las perturbaciones en el Sol, este se ve alterado globalmente por la presión que ejerce el viento solar sobre él. Toda esa interacción crea corrientes eléctricas masivas con amplitudes de millones de amperios, que fluyen por el campo magnético y pueden variar en escalas de tiempo de segundos. 

Una tormenta geomagnética puede durar varios días, después de los cuales el campo magnético se recupera gradualmente. Estos cambios en el entorno magnético de la Tierra pueden tener un impacto en: 

• Las comunicaciones satelitales: señales de televisión, comunicaciones y navegación.
• Los sistemas satelitales de posicionamiento global (GPS): las coordenadas GPS se desvían varios metros. 
• Las ondas de radio de alta frecuencia: se degradan. 

• Adicionalmente, los cambios violentos en el campo magnético inducen corrientes eléctricas hacia sistemas conductores como gasoductos, oleoductos, vías férreas o sistemas de transmisión de energía de alto voltaje. Estas corrientes, también llamadas corrientes geomagnéticamente inducidas (GIC, por sus siglas en inglés), producen corrosión temprana de los sistemas conductores como tuberías; sobre las líneas de transmisión de energía pueden crear fluctuaciones de voltaje que colapsen el sistema o pueden generar sobrecalentamiento de los transformadores. 

 

¿Cómo se está preparando el mundo para enfrentar estos fenómenos?

Los esfuerzos para el manejo y la legislación de este tipo de eventos cada vez son mayores. En Estados Unidos, por ejemplo, estos esfuerzos se han concentrado en grupos de investigación y desarrollo, sectores económicos, centros de investigación y pronóstico y entidades gubernamentales, cada uno con un rol específico. 

Por otra parte, la industria de transmisión de energía se enfoca en pensar cómo los sistemas de energía (generación, transmisión y distribución) se construyen de manera resiliente, tratando de reducir el impacto de los eventos donde se perturbe la red, con una toma de decisiones que les permita anticiparse, adaptarse y recuperarse de manera rápida. 

Los centros de predicción se enfocan en el pronóstico de las grandes explosiones, en implementar nuevos modelos, mejorar la incertidumbre de las predicciones y modelar la respuesta de la magnetósfera terrestre, la ionósfera y la distribución de las corrientes en la Tierra ante los fenómenos energéticos ocurridos en el Sol. 

Las agencias gubernamentales para el manejo de emergencias se enfocan en la planeación para la respuesta inmediata y la pronta recuperación ante eventos de este tipo, dirigiendo recursos a actividades que apunten a la preparación, respuesta, recuperación y mitigación de efectos asociados. 

El clima espacial ha suscitado un creciente interés internacional, científico, industrial y público, ya que todos los sectores dependen de la energía eléctrica (comunicaciones, agua, salud, financiero, por citar algunos). Además, a medida que la tecnología avanza y permea la cotidianidad, las personas se vuelven más vulnerables y adoptan nuevas dinámicas en las que el clima espacial puede afectar su diario vivir.

Los retos planteados para el futuro están estrechamente asociados a una mejor interacción entre las diferentes disciplinas y a conectar los esfuerzos que se hacen globalmente para generar un desarrollo conjunto y un entendimiento más profundo de la variedad de procesos que relacionan la actividad solar y las actividades cotidianas en la Tierra.

Fuentes

• Antti Pulkkinen. Ph. D. y M. Sc. en Física de la Universidad de Helsinki. 
• Luisa Fernanda Vallejo. Ingeniera civil de la Escuela de Ingeniería de Antioquia y M. Sc. en Recursos Hidráulicos de la Universidad Nacional de Colombia.