Observatorio de Dinámica Solar: La misión del “Sol variable”


El Observatorio de Dinámica Solar, que despego el 9 de febrero, tomará películas tipo IMAX de las explosiones solares, escudriñará por debajo de la superficie solar para ver la dínamo interna del Sol y, esperan los investigadores, revelará los misterios de la variabilidad solar.

Desde hace algunos años, una idea no ortodoxa ha estado ganando adeptos entre los astrónomos. Esta idea se contradice con las viejas enseñanzas y perturba a los observadores atentos, en especial a los climatólogos.

“El Sol”, explica Lika Guhathakurta, de las oficinas centrales de la NASA, en Washington DC, “es una estrella variable”.

Pero parece tan constante…

Esa es sólo una limitación del ojo humano. Modernos telescopios y naves espaciales han penetrado el cegador brillo del Sol y han encontrado un torbellino de agitación impredecible. Las llamaradas solares explotan con la energía de mil millones de bombas atómicas. Nubes de gas magnetizado (eyecciones de masa coronal o CMEs, por su sigla en idioma inglés) lo suficientemente grandes como para tragar planetas se separan de la superficie estelar. Agujeros en la atmósfera del Sol arrojan ráfagas de viento solar que se mueven a millones de kilómetros por hora.

Y esas son las cosas que pueden ocurrir en un mismo día.

A lo largo de prolongados períodos (que abarcan desde décadas hasta siglos), la actividad solar aumenta y disminuye con un ritmo complejo que los investigadores aún están tratando de entender. El “latido” más famoso es el ciclo de manchas solares de 11 años, descripto en muchos textos como un proceso regular y preciso. De hecho, parece tener mente propia.

“Ni siquiera es 11 años”, dice Guhathakurtha. “El ciclo varía de 9 a 12 años. Algunos ciclos son intensos, con muchas manchas y llamaradas solares; otros son moderados, con relativamente poca actividad solar. En el siglo XVII, durante el período llamado ‘Mínimo de Maunder’, el ciclo pareció detenerse por completo durante aproximadamente 70 años y nadie sabe por qué”.
Sin embargo, no hay necesidad de ir tan atrás en el tiempo para encontrar un ejemplo de la impredecibilidad del ciclo. En este momento, el Sol está saliendo de un mínimo solar del tipo del que no se ve en más de un siglo y que casi nadie anticipó.

“La profundidad del mínimo solar en 2008-2009 realmente nos tomó por sorpresa”, dice el experto en manchas solares David Hathaway, del Centro Marshall para Vuelos Espaciales, ubicado en Huntsville, Alabama. “Eso remarca cuán lejos estamos aún de predecir la actividad solar”.

Eso es un problema, porque la sociedad humana es cada vez más vulnerable a los incrementos de la actividad solar. La gente moderna depende de una red de sistemas de alta tecnología interconectados para realizar actividades básicas de todos los días. Redes de energía inteligentes, navegación por GPS (Global Positioning System, en idioma inglés, o Sistema de Posicionamiento Global, en idioma español), viajes aéreos, servicios financieros, comunicaciones de emergencia por radio… todos ellos pueden verse afectados por una intensa actividad solar. Según un estudio llevado a cabo en 2008 por la Academia Nacional de Ciencias (National Academy of Sciences, en idioma inglés), una tormenta solar, de las que se ven una vez en un siglo, podría causar veinte veces más daño económico que el huracán Katrina.

Áreas de Estados Unidos que son vulnerables al colapso de los sistemas eléctricos como respuesta a una tormenta geomagnética extrema. Fuente: Academia Nacional de Ciencias. [Más información]

“Entender la variabilidad solar es crucial”, dice la científica del espacio Judith Lean, del Laboratorio de Investigación Naval (Naval Research Lab, en idioma inglés), ubicado en Washington DC. “Nuestro modo de vida moderno depende de eso”.

Y aquí entra en escena el Observatorio de Dinámica Solar (Solar Dynamics Observatory, en idioma inglés) o —”SDO” para abreviar—, cuyo lanzamiento está programado para el 9 de febrero de 2010, desde el Centro Espacial Kennedy (Kennedy Space Center, en idioma inglés), ubicado en Florida.

El SDO está diseñado para explorar la variabilidad solar de una manera diferente a cualquier otra misión en la historia de la NASA. Observará al Sol más rápido, con mayor profundidad y con mayor detalle que anteriores observatorios, rompiendo las barreras de tiempo y nitidez que han bloqueado durante mucho tiempo el progreso de la física solar.

Guhathakurta cree que “el SDO va a revolucionar nuestra visión del Sol”.

La revolución comienza con la fotografía de alta velocidad. El SDO capturará imágenes del Sol con calidad IMAX, cada 10 segundos, usando un banco de telescopios de múltiples longitudes de onda llamado Generador de Imágenes Atmósfericas (Atmospheric Imaging Assembly, en idioma inglés, ó AIA para abreviar). A modo de comparación, observatorios anteriores han tomado imágenes cada pocos minutos, en el mejor de los casos, con resoluciones como las que se ven en internet, no en un cine. Los investigadores creen que la rapidez del SDO para tomar fotografías podría tener el mismo efecto transformador en la física solar que la invención de la fotografía de alta velocidad tuvo en muchas ciencias, en el siglo XIX.

El SDO no se detiene en la superficie estelar. El Generador de Imágenes Magnéticas y Heliosísmicas (Helioseismic Magnetic Imager, ó HMI, en idioma inglés) del SDO, de hecho, puede mirar la dínamo solar en el interior del Sol.

La dínamo solar es una red de profundas corrientes de plasma que generan el enredado y, a veces, explosivo campo magnético del Sol. Regula todas las formas de actividad solar, desde las rapidísimas erupciones de llamaradas solares hasta las ondulaciones del ciclo de manchas solares en escalas de décadas.

Entender cómo funciona la dínamo solar ha sido, durante mucho tiempo, el ‘santo grial’ de la física solar”, dice Dean Pesnell, del Centro Goddard para Vuelos Espaciales (Goddard Space Flight Center, en idioma inglés), ubicado en Greenbelt, Maryland. “El HMI podría finalmente entregárnoslo”.

La dínamo está oculta de nuestra vista por aproximadamente 225.000 kilómetros (140.000 millas) de gas caliente que lo cubre. El SDO penetra el velo usando una técnica familiar para los geólogos: la sismología. Así como los geólogos examinan el interior de la Tierra usando las ondas generadas en los terremotos, los físicos solares pueden examinar el interior del Sol usando ondas acústicas producidas por la propia turbulencia solar, que hierve. El HMI detecta las ondas, las cuales son transformadas por los investigadores en la Tierra en imágenes bastante nítidas.

‘Constante Solar’ es un oxímoron

Hubo un tiempo en el cual los astrónomos estaban tan convencidos de la constancia del Sol, que llamaron a la irradiancia solar “la constante solar”, y se encaminaron a medirla como lo harían con cualquier constante de la naturaleza. Por definición, la constante solar es la cantidad de energía solar depositada en la capa superior de la atmósfera de la Tierra en unidades de watt por metro cuadrado. Todas las longitudes de onda de radiación están incluidas (radio, infrarrojo, luz visible, ultravioleta, rayos X, etc.). El valor aproximado de la constante solar es 1361 W/m2.

Las nubes, la absorción atmosférica y otros factores complican las mediciones desde la superficie de la Tierra, así que la NASA ha llevado los dispositivos de medición al espacio. Hoy VIRGO, ACRIM y SORCE están haciendo mediciones con precisiones que se aproximan a 10 partes por millón por año. Futuros instrumentos programados para volar en las naves espaciales Glory, de la NASA, y NPOESS, de la NOAA, esperan alcanzar precisiones aún más altas.

Para la sorpresa de muchos investigadores, la constante solar ha resultado ser no constante.

“La ‘constante solar’ es un oxímoron”, dice Judith Lean, del Laboratorio de Investigación Naval. “Los datos proporcionados por satélites muestran que la irradiancia total del Sol crece y disminuye significativamente con el ciclo de manchas solares”.

En el máximo solar, el Sol es cerca del 0,1% más brillante que en el mínimo solar. Eso puede sonar como que no es mucho, pero considere lo siguiente: un cambio del 0,1% en 1361 W/m2 es igual que 1,4 Watts/m2. Si se promedia este número en relación con la Tierra esférica y se corrige para la reflectividad de la Tierra, se obtienen 0,24 Watts por cada metro cuadrado de nuestro planeta.

“Si se suma todo, se obtendrá una gran cantidad de energía”, dice Lean. “Cómo es que esto podría afectar al tiempo y al clima es materia de un (a veces apasionado) debate”.

Debido a que el SDO se especializa en longitudes de onda del ultravioleta extremo, no realizará mediciones directas de la irradiancia solar total, la cual requiere sensibilidad a lo largo de todo el espectro electromagnético. No obstante, una combinación de datos proporcionados por el SDO y por otras naves espaciales podría arrojar luz sobre este importante tema; y quizás también podría revelar otros oxímoron.

SDO: La misión del “Sol variable” (Continuación)

Finalmente (y lo que es de la mayor relevancia para la Tierra), el SDO observará al Sol en longitudes de onda donde el Sol es más variable, en el ultravioleta extremo (UVE). Los fotones en el UVE son los primos de alta energía de los rayos UV (ultravioletas) que causan quemaduras de sol. Afortunadamente, nuestra atmósfera bloquea los rayos solares en el UVE; de otra manera, un día en la playa podría ser fatal. En el espacio, la emisión de rayos solares en el UVE es fácil de detectar y podría decirse que es el indicador más sensible de la actividad del Sol.

“Si los ojos humanos pudieran ver las longitudes de onda en el UVE, nadie dudaría de que el Sol es una estrella variable”, dice Tom Woods, de la Universidad de Colorado, en Boulder

Durante una llamarada solar, la producción de radiación en el ultravioleta extremo del Sol puede variar por factores de cientos a miles en cuestión de segundos. Los aumentos en la cantidad de fotones en el UVE calientan la atmósfera superior de la Tierra, provocando de este modo que la atmósfera se “infle” y arrastre hacia la Tierra a los satélites ubicados en órbitas bajas. Los rayos en el UVE también rompen átomos y moléculas y crean así una capa de iones en la atmósfera superior que puede perturbar seriamente las señales de radio. De acuerdo con la opinión de Judith Lean, “el UVE controla el medio ambiente de la Tierra en toda la atmósfera arriba de los 100 km, aproximadamente”.

“En el UVE es donde está la acción”, concuerda Woods.

Es por ello que Woods y sus colegas construyeron un sensor del ultravioleta extremo para el SDO, llamado Experimento de Variabilidad del UVE (EUV Variability Experiment ó “EVE”, en idioma inglés). “El EVE nos da la más alta resolución temporal (10 seg) y la mayor resolución espectral (< 0,1 nm) que hemos tenido para medir el Sol, y las tendremos disponibles las 24 horas del día, durante los 7 días de la semana”, dice. “Esta es una enorme mejoría respecto de las misiones anteriores”.

Woods espera que EVE revele con qué velocidad puede cambiar el Sol (“realmente no lo sabemos”, apunta) y que sorprenda a los astrónomos con el tamaño de los estallidos.

EVE, AIA, HMI. Durante los próximos cinco años, el Observatorio de Dinámica Solar usará estos instrumentos con el fin de definir nuevamente a nuestra estrella y su potencial de variabilidad. ¿Qué ideas no ortodoxas nos enviarán? ¡Viejas enseñanzas, tengan cuidado!

http://ciencia.nasa.gov

Observatorio de Dinámica Solar —portal

Información proporcionada por la sonda espacial STEREO, de la NASA, confirmó la asombrosa existencia de las olas gigantescas en el Sol, las cuales son conocidas como “tsunamis solares”.

En algunas ocasiones, realmente puedes creer lo que ven tus ojos. Eso es justo lo que la sonda STEREO (Observatorio de Relaciones Solares y Terrestres, en idioma español), de la NASA, está diciendo a los investigadores respecto de un controvertido fenómeno en el Sol, el cual es conocido como “tsunami solar”.

Hace algunos años, cuando los físicos solares observaron por primera vez una protuberante ola u onda de plasma caliente que se propagaba a través de la superficie del Sol, dudaron de sus sentidos. La escala de la ola era asombrosa. Se levantaba más que la Tierra misma, desde un punto central para desde allí dispersarse en patrones circulares de millones de kilómetros de circunferencia. Los observadores escépticos sugirieron que el fenómeno podría ser algún tipo de sombra (un truco del ojo) pero, con seguridad, no una ola real.

“Ahora lo sabemos”, comenta Joe Gurman, del Laboratorio de Física Solar, en el Centro Goddard para Vuelos Espaciales. “Los tsunamis solares son reales”.

Las sondas gemelas STEREO confirmaron su existencia en febrero de 2009, cuando la mancha solar 11012 inesperadamente hizo erupción. La explosión lanzó una nube de gas de mil millones de toneladas (una eyección de masa coronal o CME, en idioma inglés) hacia el espacio y provocó un tsunami que se propagó a través de la superficie del Sol. STEREO registró la ola desde dos posiciones distintas separadas por un ángulo de 90 grados, brindado así a los investigadores una perspectiva del evento que no tiene precedentes:

“Era definitivamente una ola”, comenta Spiros Patsourakos, de la Universidad George Mason, y autor principal del artículo que informa sobre el hallazgo en la revista Astrophysical Journal Letters. “No se trata de una ola de agua”, agrega, “sino de una gigantesca ola de plasma caliente y magnetismo”.

El nombre técnico es “ola magnetohidrodinámica de modo rápido” (u “ola MHD”, de manera abreviada). La ola que la sonda STEREO observó se alzó cerca de 100.000 km y se propagó radialmente a 250 km/s (560.000 mph). Dicha ola contenía energía que equivale a 2.400 megatones de TNT (1021 joules ó 1029 ergios).

El Observatorio Solar y Heliosférico (SOHO, en idioma inglés) descubrió los tsunamis solares en 1997. En mayo de ese año, una CME se produjo de una explosión que provenía de una zona activa de la superficie del Sol, y la sonda espacial SOHO registró el tsunami propagándose alrededor del epicentro de la explosión.

“Estuvimos preguntándonos”, recuerda Gurman, “¿fue eso una ola, o sólo la sombra de la CME que estaba por encima?”

El único punto de observación que posee la sonda SOHO no era suficiente para responder esa pregunta (ni para esa primera ola ni para muchos eventos similares que le sucedieron y que fueron registrados por la sonda espacial SOHO).

La pregunta permaneció abierta hasta después de que se lanzó la sonda STEREO en 2006. Para el momento de la erupción de febrero de 2009, STEREO-B se encontraba directamente sobre el sitio de la explosión, mientras que STEREO-A estaba ubicada exactamente a 90 grados respecto de STEREO-B (“una perfecta simetría para develar el misterio”, comenta el co-autor Angelos Vourlidas, del Laboratorio de Investigaciones Navales, en Washington DC. (Ver diagrama)

La realidad física de las olas ha sido adicionalmente confirmada por videoclips donde las olas chocan contra distintas cosas. “Hemos visto cómo se reflejan las olas debido a los agujeros coronales (agujeros magnéticos en la atmósfera solar),” comenta Vourlidas. “Y existe un videoclip maravilloso que muestra cómo una prominencia solar oscila después de haber sido impactada por una ola. La llamamos: ‘la prominencia danzante'”.

La prominencia danzante (indicada con un círculo). Observe cómo sube y baja después de haber sido impactada por un apenas visible pero poderoso tsunami solar: Animación gif de 4MB, Videoclip Quicktime de 54MB.

Los tsunamis solares no representan una amenaza directa para la Tierra. Sin embargo, su estudio es importante. “Podemos usarlos para diagnosticar condiciones en el Sol”, comenta Gurman. “Por medio de la observación de cómo ocurre la propagación y reflexión de las olas en el Sol, podemos obtener información acerca de la baja atmósfera solar, información que no tenemos disponible de ninguna otra manera”.

“Los tsunamis solares pueden también mejorar nuestras predicciones del clima espacial”, agrega Vourlidas. “Como si fueran un blanco de tiro, marcan el punto en donde se origina una explosión. La localización de los puntos de explosión nos puede ayudar a anticipar cuándo una CME o una tormenta de radiación impactará contra la Tierra”.

http://ciencia.nasa.gov

Una selección de videoclips de los tsunamis solares:

Las investigaciones originales que se mencionan en esta historia se pueden hallar en la primera edición del mes de agosto de la revista: Astrophysical Journal Letters, con título en idioma inglés “Extreme Ultraviolet Waves’ are Waves: First Quadrature Observations of an Extreme Ultraviolet Wave from STEREO“, por Spiros Patsourakos y Angelos Vourlidas, vol. 700, pág. L182.

Más vínculos:

Observatorio de Relaciones Solares y Terrestres (STEREO)

Observatorio Solar y Heliosférico (SOHO)

Reflexión de un Tsunami Solar desde un Agujero Coronal
 

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