Variabilidad Solar y Clima Terrestre

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 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.

[C/A de National Aeronautic and Space Administration] 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 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.

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 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.

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 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 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 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 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.

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.

Matt Penn y William Livingston, del Observatorio Solar Nacional (National Solar Observatory, en 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 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.