Ciclo solar

El ciclo solar o ciclo de actividad magnética solar es un cambio casi periódico de 11 años en la actividad del Sol medido en términos de variaciones en el número de manchas solares observadas en la superficie solar. Las manchas solares se han observado desde principios del siglo XVII y la serie temporal de manchas solares es la serie temporal más larga observada (registrada) de forma continua de todos los fenómenos naturales.

Gráfico de líneas que muestra el recuento histórico del número de manchas solares, los mínimos de Maunder y Dalton y el Máximo moderno
400 años de historia de las manchas solares, incluido el mínimo de Maunder
"La predicción actual para el ciclo 24 de manchas solares da un número máximo de manchas solares suavizadas de aproximadamente 69 a finales del verano de 2013. El número de manchas solares suavizadas alcanzó 68,9 en agosto de 2013, por lo que el máximo oficial será al menos así de alto. El número de manchas solares suavizadas se ha calculado aumentando nuevamente hacia este segundo pico en los últimos cinco meses y ahora ha superado el nivel del primer pico (66,9 en febrero de 2012). Muchos ciclos tienen picos dobles, pero este es el primero en el que el segundo pico en el número de manchas solares fue mayor que el Primero. Actualmente estamos más de cinco años en el ciclo 24. El tamaño actual predicho y observado hace que este sea el ciclo de manchas solares más pequeño desde el ciclo 14, que tuvo un máximo de 64,2 en febrero de 1906 ". [1]

El campo magnético del Sol cambia durante cada ciclo solar, y el cambio ocurre cuando el ciclo de las manchas solares está cerca de su máximo. Los niveles de radiación solar y eyección de material solar, el número y tamaño de las manchas solares , las llamaradas solares y los bucles coronales exhiben una fluctuación sincronizada, de activo a silencioso y de nuevo activo, con un período de 11 años.

Este ciclo se ha observado durante siglos por cambios en la apariencia del Sol y por fenómenos terrestres como las auroras . La actividad solar, impulsada tanto por el ciclo de las manchas solares como por los procesos aperiódicos transitorios, gobierna el medio ambiente de los planetas del Sistema Solar creando un clima espacial e impactando tecnologías espaciales y terrestres, así como la atmósfera de la Tierra y también posiblemente las fluctuaciones climáticas en escalas de siglos y siglos. más extenso.

Comprender y predecir el ciclo de las manchas solares sigue siendo uno de los grandes desafíos en astrofísica con importantes ramificaciones para la ciencia espacial y la comprensión de los fenómenos magnetohidrodinámicos en otras partes del Universo.

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Evolución del magnetismo en el sol.

Los ciclos solares tienen una duración media de unos 11 años. El máximo y el mínimo solar se refieren a períodos de recuento máximo y mínimo de manchas solares. Los ciclos van de un mínimo al siguiente.

Rudolf Wolf (1816-1893), astrónomo suizo, llevó a cabo una reconstrucción histórica de la actividad solar desde el siglo XVII.

Las manchas solares fueron primero observadas sistemáticamente por Galileo Galilei, Christoph Scheiner y sus contemporáneos alrededor de 1609. El ciclo solar fue descubierto en 1843 por Samuel Heinrich Schwabe , quien después de 17 años de observaciones notó una variación periódica en el número promedio de manchas solares . [2] Sin embargo, Schwabe fue precedido por Christian Horrebow  quien en 1775 escribió: "parece que después del transcurso de un cierto número de años, la aparición del Sol se repite con respecto al número y tamaño de las manchas" basado en su observaciones del sol desde 1761 en adelante desde el observatorio Rundetaarn en Copenhague. [3] Rudolf Wolf compiló y estudió estas y otras observaciones, reconstruyendo el ciclo hasta 1745, y eventualmente empujando estas reconstrucciones a las primeras observaciones de manchas solares realizadas por Galileo y sus contemporáneos a principios del siglo XVII.

Siguiendo el esquema de numeración de Wolf, el ciclo de 1755-1766 se numera tradicionalmente como "1". Wolf creó un índice de número de manchas solares estándar, el índice de Wolf, que se sigue utilizando en la actualidad.

El período comprendido entre 1645 y 1715, una época de pocas manchas solares, [4] se conoce como el mínimo de Maunder , en honor a Edward Walter Maunder , quien investigó extensamente este peculiar evento, señalado por primera vez por Gustav Spörer .

En la segunda mitad del siglo XIX, Richard Carrington y Spörer observaron independientemente el fenómeno de las manchas solares que aparecen en diferentes latitudes solares en diferentes partes del ciclo.

La base física del ciclo fue aclarada por George Ellery Hale y colaboradores, quienes en 1908 demostraron que las manchas solares estaban fuertemente magnetizadas (la primera detección de campos magnéticos más allá de la Tierra). En 1919 demostraron que la polaridad magnética de los pares de manchas solares:

  • Es constante a lo largo de un ciclo;
  • Es opuesto a lo largo del ecuador a lo largo de un ciclo;
  • Se invierte de un ciclo al siguiente.

Las observaciones de Hale revelaron que el ciclo magnético completo abarca dos ciclos solares, o 22 años, antes de volver a su estado original (incluida la polaridad). Debido a que casi todas las manifestaciones son insensibles a la polaridad, el "ciclo solar de 11 años" sigue siendo el foco de la investigación; sin embargo, las dos mitades del ciclo de 22 años no suelen ser idénticas: los ciclos de 11 años suelen alternar entre sumas más altas y más bajas del número de manchas solares de Wolf (la regla de Gnevyshev-Ohl ). [5]

En 1961, el equipo de padre e hijo de Harold y Horace Babcock estableció que el ciclo solar es un proceso magnético espacio-temporal que se desarrolla sobre el Sol en su conjunto. Observaron que la superficie solar está magnetizada fuera de las manchas solares, que este campo magnético (más débil) es un dipolo de primer orden y que este dipolo sufre inversiones de polaridad con el mismo período que el ciclo de las manchas solares. El modelo Babcock de Horace describió el campo magnético oscilatorio del Sol con una periodicidad casi constante de 22 años. [2] [6] Cubrió el intercambio oscilatorio de energía entre los ingredientes del campo magnético solar toroidal y poloidal .

Reconstrucción de la actividad solar durante 11.400 años. Se marcó un período de actividad igualmente alta hace más de 8.000 años.

El número de manchas solares durante los últimos 11.400 años se ha reconstruido utilizando dendroclimatología basada en carbono-14 . El nivel de actividad solar a partir de la década de 1940 es excepcional: el último período de magnitud similar ocurrió hace unos 9.000 años (durante el período boreal cálido ). [7] [8] [9] El Sol estuvo en un nivel igualmente alto de actividad magnética durante sólo ~ 10% de los últimos 11.400 años. Casi todos los períodos anteriores de alta actividad fueron más cortos que el episodio actual. [8] Los registros fósiles sugieren que el ciclo solar se ha mantenido estable durante al menos los últimos 700 millones de años. Por ejemplo, la duración del ciclo durante el Pérmico Temprano se estima en 10,62 años [10] y de manera similar en el Neoproterozoico . [11] [12]

Eventos de actividad solar registrados en radiocarbono. El período actual está a la derecha. No se muestran los valores desde 1900.
Eventos importantes y fechas aproximadas
Evento Comienzo Final
Mínimo homérico [13]750 a. C. 550 a. C.
Mínimo de Oort 1040 d.C. 1080 d.C.
Máximo medieval 1100 1250
Mínimo de lobo 1280 1350
Mínimo de Spörer 1450 1550
Mínimo de Maunder 1645 1715
Mínimo de Dalton 1790 1820
Máximo moderno 1914 2008
Mínimo moderno 2008 -

Hasta 2009, se pensaba que 28 ciclos habían abarcado los 309 años entre 1699 y 2008, dando una duración promedio de 11,04 años, pero la investigación mostró que el más largo de estos (1784-1799) puede haber sido en realidad dos ciclos. [14] [15] Si es así, la duración media sería de sólo 10,7 años. Dado que las observaciones comenzaron, se han observado ciclos tan cortos como 9 años y tan largos como 14 años, y si el ciclo de 1784-1799 es el doble, entonces uno de los ciclos de dos componentes tenía que tener menos de 8 años de duración. También se producen variaciones de amplitud significativas.

Existe una lista de "grandes mínimos" históricos de actividad solar. [7] [16]

Ciclos recientes

Ciclo 25

El ciclo solar 25 comenzó en diciembre de 2019. [17] Se han hecho varias predicciones para el ciclo de manchas solares 25 [18] basadas en diferentes métodos, que van desde una magnitud muy débil a moderada. Una predicción basada en la física que se basa en los modelos de transporte de flujo de superficie solar y dínamo solar impulsados ​​por datos de Bhowmik y Nandy (2018) parece haber predicho la fuerza del campo polar solar en los mínimos actuales correctamente y pronostica una energía solar débil pero no insignificante. ciclo 25 similar o ligeramente más fuerte en relación con el ciclo 24. [19] En particular, descartan la posibilidad de que el Sol caiga en un estado (inactivo) similar al mínimo de Maunder durante la próxima década. Un consenso preliminar de un Panel de Predicción del Ciclo Solar 25 se hizo a principios de 2019. [20] El Panel, que fue organizado por el Centro de Predicción del Clima Espacial (SWPC) de la NOAA y la NASA , basado en las predicciones publicadas del ciclo solar 25, concluyó que el Ciclo Solar 25 será muy similar al ciclo solar 24. Ellos anticipan que el mínimo del ciclo solar antes del ciclo 25 será largo y profundo, al igual que el mínimo que precedió al ciclo 24. Ellos esperan que el máximo solar ocurra entre 2023 y 2026 con un rango de manchas solares de 95 a 130, expresado en términos del número de manchas solares revisado.

Ciclo 24

El ciclo solar comenzó el 4 de enero de 2008, [21] con una actividad mínima hasta principios de 2010. [22] [23] El ciclo presentaba un máximo solar de "doble pico" . El primer pico alcanzó 99 en 2011 y el segundo a principios de 2014 en 101. [24] El ciclo 24 finalizó en diciembre de 2019 después de 11,0 años. [17]

Ciclo 23

Este ciclo duró 11,6 años, comenzando en mayo de 1996 y terminando en enero de 2008. El número máximo de manchas solares suavizadas (número mensual de manchas solares promediado durante un período de doce meses) observado durante el ciclo solar fue 120,8 (marzo de 2000), y el mínimo fue 1.7. [25] Un total de 805 días no tuvieron manchas solares durante este ciclo. [26] [27] [28]

Debido a que el ciclo solar refleja la actividad magnética, varios fenómenos solares impulsados ​​magnéticamente siguen el ciclo solar, incluidas las manchas solares y las eyecciones de masa coronal.

Manchas solares

Un dibujo de una mancha solar en las Crónicas de Juan de Worcester .

La superficie aparente del Sol, la fotosfera, irradia más activamente cuando hay más manchas solares. El seguimiento por satélite de la luminosidad solar reveló una relación directa entre el ciclo de Schwabe y la luminosidad con una amplitud de pico a pico de aproximadamente 0,1%. [29] La luminosidad disminuye hasta un 0,3% en una escala de tiempo de 10 días cuando grandes grupos de manchas solares giran a través de la vista de la Tierra y aumentan hasta un 0,05% durante un máximo de 6 meses debido a fáculas asociadas con grandes grupos de manchas solares. [30]

La mejor información hoy proviene de SOHO (un proyecto cooperativo de la Agencia Espacial Europea y la NASA ), como el magnetograma MDI , donde se puede ver el campo magnético de la "superficie" solar .

A medida que comienza cada ciclo, aparecen manchas solares en latitudes medias y luego se acercan más y más al ecuador hasta que se alcanza un mínimo solar. Este patrón se visualiza mejor en forma del llamado diagrama de mariposa. Las imágenes del Sol se dividen en franjas latitudinales y se calcula la superficie fraccionaria promediada mensualmente de las manchas solares. Esto se traza verticalmente como una barra codificada por colores, y el proceso se repite mes tras mes para producir este diagrama de series de tiempo.

Esta versión del diagrama de la mariposa de las manchas solares fue construida por el grupo solar del Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA. La versión más reciente se puede encontrar en solarcyclescience.com

Mientras que los cambios del campo magnético se concentran en las manchas solares, todo el sol sufre cambios análogos, aunque de menor magnitud.

Diagrama de tiempo vs. latitud solar de la componente radial del campo magnético solar, promediado sobre sucesivas rotaciones solares. La firma de "mariposa" de las manchas solares es claramente visible en latitudes bajas. Diagrama construido por el grupo solar en el Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA. La versión más reciente se puede encontrar en solarcyclescience.com

Eyección de masa coronal

El campo magnético solar estructura la corona, dándole su forma característica visible en épocas de eclipses solares. Las estructuras complejas del campo magnético coronal evolucionan en respuesta a los movimientos de los fluidos en la superficie solar y al surgimiento de un flujo magnético producido por la acción de la dínamo en el interior solar. Por razones que aún no se comprenden en detalle, a veces estas estructuras pierden estabilidad, lo que conduce a eyecciones de masa coronal al espacio interplanetario, o llamaradas , causadas por la liberación localizada repentina de energía magnética que impulsa la emisión de radiación ultravioleta y de rayos X, así como partículas energéticas. Estos fenómenos eruptivos pueden tener un impacto significativo en la atmósfera superior de la Tierra y el entorno espacial, y son los principales impulsores de lo que ahora se llama clima espacial .

La frecuencia de aparición de las eyecciones de masa coronal y los brotes está fuertemente modulada por el ciclo. Las llamaradas de cualquier tamaño son unas 50 veces más frecuentes en el máximo solar que en el mínimo. Las grandes eyecciones de masa coronal ocurren en promedio unas pocas veces al día en el máximo solar, hasta una cada pocos días en el mínimo solar. El tamaño de estos eventos en sí mismos no depende sensiblemente de la fase del ciclo solar. Un ejemplo de ello son las tres grandes erupciones de clase X que ocurrieron en diciembre de 2006, muy cerca del mínimo solar; un destello X9.0 el 5 de diciembre se erige como uno de los más brillantes registrados. [31]

Una descripción general de tres ciclos solares muestra la relación entre el ciclo de las manchas solares, los rayos cósmicos galácticos y el estado de nuestro entorno en el espacio cercano. [32]

El efecto Waldmeier nombra la observación de que los ciclos con amplitudes máximas mayores tienden a tardar menos tiempo en alcanzar sus máximos que los ciclos con amplitudes menores; [33] las amplitudes máximas están correlacionadas negativamente con la duración de los ciclos anteriores, lo que ayuda a la predicción. [34]

Los máximos y mínimos solares también exhiben fluctuaciones en escalas de tiempo mayores que los ciclos solares. Las tendencias crecientes y decrecientes pueden continuar durante períodos de un siglo o más.

Se cree que el ciclo de Schwabe es una modulación de amplitud del ciclo de Gleissberg de 87 años (70-100 años) , que lleva el nombre de Wolfgang Gleißberg. [5] [35] [36] El ciclo de Gleissberg implicaba que el próximo ciclo solar tendría un número máximo de manchas solares suavizadas de aproximadamente 145 ± 30 en 2010 (en cambio, 2010 fue justo después del mínimo solar del ciclo) y que el siguiente ciclo tiene un máximo de aproximadamente 70 ± 30 en 2023. [37]

Se han detectado variaciones centenarias asociadas en los campos magnéticos en la corona y la heliosfera utilizando isótopos cosmogénicos de carbono-14 y berilio-10 almacenados en depósitos terrestres como capas de hielo y anillos de árboles [38] y utilizando observaciones históricas de la actividad de tormentas geomagnéticas , que unen el intervalo de tiempo entre el final de los datos de isótopos cosmogénicos utilizables y el comienzo de los datos de los satélites modernos. [39]

Estas variaciones se han reproducido con éxito utilizando modelos que emplean ecuaciones de continuidad del flujo magnético y números de manchas solares observados para cuantificar la aparición del flujo magnético desde la parte superior de la atmósfera solar hacia la heliosfera , [40] mostrando que las observaciones de las manchas solares, la actividad geomagnética y los isótopos cosmogénicos ofrecen una comprensión convergente de las variaciones de la actividad solar.

Ciclos de variación solar de Hallstatt de 2.300 años.

Ciclos hipotéticos

Se ha propuesto la periodicidad de la actividad solar con períodos más largos que el ciclo de las manchas solares de aproximadamente 11 (22) años, [5] que incluyen:

El ciclo Suess de 210 años [36] (también conocido como "ciclo de Vries", llamado así por Hans Eduard Suess y Hessel De Vries respectivamente) se registra a partir de estudios de radiocarbono, aunque "poca evidencia del ciclo Suess" aparece en el registro de manchas solares de 400 años . [5]

Se cree que el ciclo de Hallstatt (llamado así por un período frío y húmedo en Europa cuando los glaciares avanzaron ) se extenderá por aproximadamente 2.400 años. [41] [42] [43] [44]

Un ciclo aún sin nombre puede extenderse por más de 6.000 años. [45]

En el carbono 14 se han observado ciclos de 105, 131, 232, 385, 504, 805 y 2.241 años, posiblemente ciclos coincidentes derivados de otras fuentes. [46] Damon y Sonett [47] propusieron variaciones a medio y corto plazo basadas en el carbono 14 de períodos de 208 y 88 años; además de sugerir un período de radiocarbono de 2300 años que modula el período de 208 años. [48]

Durante el Pérmico Superior hace 240 millones de años, las capas minerales creadas en la Formación Castilla muestran ciclos de 2.500 años. [49]

El campo magnético del Sol estructura su atmósfera y capas externas a lo largo de la corona y en el viento solar . Sus variaciones espacio-temporales conducen a varios fenómenos solares mensurables. Otros fenómenos solares están estrechamente relacionados con el ciclo, que sirve como fuente de energía y motor dinámico para el primero.

Solar

Ciclos de actividad 21, 22 y 23 observados en el índice de número de manchas solares, TSI, flujo de radio de 10,7 cm e índice de llamaradas. Las escalas verticales para cada cantidad se han ajustado para permitir la superposición en el mismo eje vertical que TSI. Las variaciones temporales de todas las cantidades están estrechamente bloqueadas en fase, pero el grado de correlación en amplitudes es variable hasta cierto punto.

Magnetismo de superficie

Las manchas solares eventualmente se desintegran, liberando un flujo magnético en la fotosfera. Este flujo se dispersa y se agita por convección turbulenta y flujos solares a gran escala. Estos mecanismos de transporte conducen a la acumulación de productos de desintegración magnetizados en altas latitudes solares, lo que eventualmente invierte la polaridad de los campos polares (observe cómo los campos azul y amarillo se invierten en el gráfico de Hathaway / NASA / MSFC anterior).

El componente dipolar del campo magnético solar invierte la polaridad alrededor del tiempo del máximo solar y alcanza la fuerza máxima en el mínimo solar.

Espacio

Astronave

Las CME ( eyecciones de masa coronal ) producen un flujo de radiación de protones de alta energía , a veces conocidos como rayos cósmicos solares. Estos pueden causar daños por radiación en la electrónica y las células solares de los satélites . Los eventos de protones solares también pueden causar eventos de alteración de evento único (SEU) en la electrónica; al mismo tiempo, el flujo reducido de radiación cósmica galáctica durante el máximo solar disminuye el componente de alta energía del flujo de partículas.

La radiación CME es peligrosa para los astronautas en una misión espacial que se encuentran fuera del blindaje producido por el campo magnético de la Tierra . Por lo tanto, los diseños de misiones futuras ( por ejemplo , para una misión a Marte ) incorporan un "refugio contra tormentas" protegido contra la radiación para que los astronautas se retiren durante un evento de este tipo.

Gleißberg desarrolló un método de pronóstico CME que se basa en ciclos consecutivos. [50]

En el lado positivo, el aumento de la irradiancia durante el máximo solar expande la envoltura de la atmósfera de la Tierra, lo que hace que los desechos espaciales en órbita baja vuelvan a ingresar más rápidamente.

Flujo de rayos cósmicos galácticos

La expansión hacia el exterior de la eyección solar en el espacio interplanetario proporciona sobredensidades de plasma que son eficientes para dispersar los rayos cósmicos de alta energía que ingresan al sistema solar desde otras partes de la galaxia. La frecuencia de los eventos eruptivos solares está modulada por el ciclo, cambiando en consecuencia el grado de dispersión de los rayos cósmicos en el sistema solar exterior. Como consecuencia, el flujo de rayos cósmicos en el Sistema Solar interior está anticorrelacionado con el nivel general de actividad solar. [51] Esta anticorrelación se detecta claramente en las mediciones del flujo de rayos cósmicos en la superficie de la Tierra.

Algunos rayos cósmicos de alta energía que entran en la atmósfera de la Tierra chocan con la fuerza suficiente con los componentes atmosféricos moleculares que ocasionalmente causan reacciones de espalación nuclear . Los productos de fisión incluyen radionucleidos como el 14 C y el 10 Be que se depositan en la superficie de la Tierra. Su concentración se puede medir en troncos de árboles o núcleos de hielo, lo que permite una reconstrucción de los niveles de actividad solar en el pasado distante. [52] Tales reconstrucciones indican que el nivel general de actividad solar desde mediados del siglo XX se encuentra entre los más altos de los últimos 10,000 años, y que épocas de actividad suprimida, de duración variable, han ocurrido repetidamente durante ese lapso de tiempo.

Atmosférico

Radiacion solar

La irradiancia solar total (TSI) es la cantidad de energía solar radiante incidente en la atmósfera superior de la Tierra. Las variaciones de TSI eran indetectables hasta que comenzaron las observaciones por satélite a fines de 1978. Se lanzó una serie de radiómetros en satélites desde la década de 1970 hasta la de 2000. [53] Las mediciones de TSI variaron de 1360 a 1370 W / m 2 en diez satélites. Uno de los satélites, el ACRIMSAT fue lanzado por el grupo ACRIM. La controvertida "brecha ACRIM" de 1989-1991 entre satélites ACRIM no superpuestos fue interpolada por el grupo ACRIM en un compuesto que muestra un aumento de + 0.037% / década. Otra serie basada en los datos de ACRIM es producida por el grupo PMOD y muestra una tendencia a la baja de -0,008% / década. [54] Esta diferencia de 0,045% / década afecta a los modelos climáticos.

La irradiancia solar varía sistemáticamente a lo largo del ciclo, [55] tanto en irradiancia total como en sus componentes relativos (UV frente a visible y otras frecuencias). Se estima que la luminosidad solar es un 0,07 por ciento más brillante durante el máximo solar de mitad de ciclo que el mínimo solar terminal. El magnetismo fotosférico parece ser la causa principal (96%) de la variación de la TSI entre 1996 y 2013. [56] La proporción de luz ultravioleta a luz visible varía. [57]

TSI varía en fase con el ciclo de actividad magnética solar [58] con una amplitud de aproximadamente 0,1% alrededor de un valor medio de aproximadamente 1361,5 W / m 2 [59] (la " constante solar "). Las variaciones alrededor del promedio de hasta -0,3% son causadas por grandes grupos de manchas solares y de + 0,05% por fáculas grandes y la red brillante en una escala de tiempo de 7-10 días [60] (ver gráficos de variación TSI). [61] Las variaciones de las ETI de la era de los satélites muestran tendencias pequeñas pero detectables. [62] [63]

El TSI es más alto en el máximo solar, aunque las manchas solares son más oscuras (más frías) que la fotosfera promedio. Esto es causado por estructuras magnetizadas distintas de las manchas solares durante los máximos solares, como fáculas y elementos activos de la red "brillante", que son más brillantes (más calientes) que la fotosfera promedio. En conjunto, compensan en exceso el déficit de irradiancia asociado con las manchas solares más frías, pero menos numerosas. El principal impulsor de los cambios de TSI en las escalas de tiempo de rotación solar y ciclo de manchas solares es la cobertura fotosférica variable de estas estructuras magnéticas solares radiativamente activas. [ cita requerida ]

Los cambios de energía en la irradiancia ultravioleta implicados en la producción y pérdida de ozono tienen efectos atmosféricos. El nivel de presión atmosférica de 30 hPa cambió de altura en fase con la actividad solar durante los ciclos solares 20-23. El aumento de la irradiación ultravioleta provocó una mayor producción de ozono, lo que provocó un calentamiento estratosférico y desplazamientos hacia los polos en los sistemas de viento estratosférico y troposférico . [64]

Radiación de longitud de onda corta

Un ciclo solar: un montaje de diez años de imágenes de Yohkoh SXT, que demuestra la variación en la actividad solar durante un ciclo de manchas solares, desde después del 30 de agosto de 1991 hasta el 6 de septiembre de 2001. Crédito: la misión Yohkoh de ISAS (Japón) y NASA (EE. UU.).

Con una temperatura de 5870 K, la fotosfera emite una proporción de radiación en el ultravioleta extremo (EUV) y superior. Sin embargo, las capas superiores más calientes de la atmósfera del Sol ( cromosfera y corona ) emiten más radiación de longitud de onda corta. Dado que la atmósfera superior no es homogénea y contiene una estructura magnética significativa, el flujo de rayos X , EUV y ultravioleta solar (UV) varía notablemente a lo largo del ciclo.

El fotomontaje de la izquierda ilustra esta variación para los rayos X suaves , según lo observado por el satélite japonés Yohkoh desde después del 30 de agosto de 1991, en el pico del ciclo 22, hasta el 6 de septiembre de 2001, en el pico del ciclo 23. Similar Se observan variaciones relacionadas con el ciclo en el flujo de radiación solar UV o EUV, como se observa, por ejemplo, en los satélites SOHO o TRACE .

Aunque solo representa una fracción minúscula de la radiación solar total, el impacto de la radiación solar UV, EUV y rayos X en la atmósfera superior de la Tierra es profundo. El flujo UV solar es un impulsor importante de la química estratosférica , y los aumentos en la radiación ionizante afectan significativamente la temperatura y la conductividad eléctrica influenciadas por la ionosfera .

Flujo de radio solar

La emisión del Sol a una longitud de onda centimétrica (radio) se debe principalmente al plasma coronal atrapado en los campos magnéticos que cubren las regiones activas. [65] El índice F10.7 es una medida del flujo de radio solar por unidad de frecuencia a una longitud de onda de 10.7 cm, cerca del pico de la emisión de radio solar observada. F10.7 se expresa a menudo en SFU o unidades de flujo solar (1 SFU = 10 −22 W m −2 Hz −1 ). Representa una medida del calentamiento del plasma coronal difuso y no radiativo. Es un excelente indicador de los niveles generales de actividad solar y se correlaciona bien con las emisiones solares UV.

La actividad de las manchas solares tiene un efecto importante en las comunicaciones de radio de larga distancia , particularmente en las bandas de onda corta , aunque las frecuencias de onda media y baja VHF también se ven afectadas. Los altos niveles de actividad de las manchas solares conducen a una mejor propagación de la señal en bandas de frecuencia más alta, aunque también aumentan los niveles de ruido solar y perturbaciones ionosféricas. Estos efectos son causados ​​por el impacto del mayor nivel de radiación solar en la ionosfera .

El flujo solar de 10,7 cm podría interferir con las comunicaciones terrestres punto a punto. [66]

Nubes

Las especulaciones sobre los efectos de los cambios de los rayos cósmicos durante el ciclo incluyen potencialmente:

  • Los cambios en la ionización afectan la abundancia de aerosoles que sirven como núcleo de condensación para la formación de nubes. [67] Durante los mínimos solares, más rayos cósmicos llegan a la Tierra, creando potencialmente partículas de aerosol ultrapequeñas como precursoras de los núcleos de condensación de las nubes . [68] Las nubes formadas a partir de mayores cantidades de núcleos de condensación son más brillantes, tienen una vida más larga y es probable que produzcan menos precipitación.
  • Un cambio en los rayos cósmicos podría provocar un aumento de ciertos tipos de nubes, afectando el albedo de la Tierra . [ cita requerida ]
  • Se propuso que, particularmente en latitudes altas , la variación de los rayos cósmicos puede afectar la cobertura de nubes terrestres de baja altitud (a diferencia de la falta de correlación con las nubes de gran altitud), parcialmente influenciada por el campo magnético interplanetario impulsado por el sol (así como el paso a través de la galaxia). brazos durante períodos de tiempo más largos), [69] [70] [71] [72] pero esta hipótesis no se confirmó. [73]

Artículos posteriores mostraron que la producción de nubes a través de los rayos cósmicos no podía explicarse por partículas de nucleación. Los resultados del acelerador no produjeron partículas suficientes y suficientemente grandes para dar lugar a la formación de nubes; [74] [75] esto incluye observaciones después de una gran tormenta solar. [76] Las observaciones posteriores a Chernobyl no muestran nubes inducidas. [77]

Terrestre

Organismos

Se ha investigado el impacto del ciclo solar en los organismos vivos (ver cronobiología ). Algunos investigadores afirman haber encontrado conexiones con la salud humana. [78]

La cantidad de luz ultravioleta UVB a 300 nm que llega a la superficie de la Tierra varía en un pequeño porcentaje durante el ciclo solar debido a variaciones en la capa protectora de ozono . En la estratosfera, el ozono se regenera continuamente mediante la división de las moléculas de O 2 por la luz ultravioleta. Durante un mínimo solar, la disminución de la luz ultravioleta recibida del Sol conduce a una disminución en la concentración de ozono, lo que permite que un aumento de UVB llegue a la superficie de la Tierra. [79] [80]

Comunicación por radio

Los modos de comunicación por radio de ondas del cielo operan doblando ( refractando ) las ondas de radio ( radiación electromagnética ) a través de la ionosfera . Durante los "picos" del ciclo solar, la ionosfera se vuelve cada vez más ionizada por fotones solares y rayos cósmicos . Esto afecta la propagación de la onda de radio de formas complejas que pueden facilitar u obstaculizar las comunicaciones. La predicción de los modos de ondas del cielo es de considerable interés para las comunicaciones comerciales marítimas y aéreas , los radioaficionados y las emisoras de onda corta . Estos usuarios ocupan frecuencias dentro del espectro de radio de alta frecuencia o 'HF' que se ven más afectadas por estas variaciones solares e ionosféricas. Los cambios en la salida solar afectan la frecuencia máxima utilizable , un límite en la frecuencia más alta utilizable para las comunicaciones.

Clima

Se propone que las variaciones de la actividad solar tanto a largo como a corto plazo afecten potencialmente al clima global, pero ha demostrado ser un desafío mostrar cualquier vínculo entre la variación solar y el clima. [81]

Las primeras investigaciones intentaron correlacionar el clima con un éxito limitado, [82] seguido de intentos de correlacionar la actividad solar con la temperatura global. El ciclo también impacta el clima regional. Las mediciones del monitor de irradiancia espectral de SORCE muestran que la variabilidad UV solar produce, por ejemplo, inviernos más fríos en los EE. UU. Y el norte de Europa e inviernos más cálidos en Canadá y el sur de Europa durante los mínimos solares. [83]

Tres mecanismos propuestos median los impactos climáticos de las variaciones solares:

  • Irradiancia solar total (" Forzamiento radiativo ").
  • Irradiancia ultravioleta. El componente UV varía más que el total, por lo que si por alguna razón (aún desconocida) los rayos UV tuvieran un efecto desproporcionado, esto podría afectar el clima.
  • Cambios en los rayos cósmicos galácticos mediados por el viento solar , que pueden afectar la cobertura de nubes.

La variación del ciclo de las manchas solares del 0,1% tiene efectos pequeños pero detectables en el clima de la Tierra. [84] [85] [86] Camp y Tung sugieren que la irradiancia solar se correlaciona con una variación de 0,18 K ± 0,08 K (0,32 ° F ± 0,14 ° F) en la temperatura global media medida entre el máximo y el mínimo solares. [87]

Otros efectos incluyen un estudio que encontró una relación con los precios del trigo, [88] y otro que encontró una correlación débil con el flujo de agua en el río Paraná . [89] Se han encontrado ciclos de once años en espesores de anillos de árboles [10] y capas en el fondo de un lago [11] hace cientos de millones de años.

El consenso científico actual, más específicamente el del IPCC , es que las variaciones solares solo juegan un papel marginal en impulsar el cambio climático global , [81] ya que la magnitud medida de la variación solar reciente es mucho menor que la provocada por los gases de efecto invernadero. [90] Además, la actividad solar promedio en la década de 2010 no fue más alta que en la de 1950 (ver más arriba), mientras que las temperaturas globales promedio habían aumentado notablemente durante ese período. De lo contrario, el nivel de comprensión de los impactos solares sobre el clima es bajo. [91]

El ciclo solar también afecta la desintegración orbital de los objetos en órbita terrestre baja (LEO) al afectar la densidad en los niveles termosféricos superiores . [92]

Se cree que el ciclo de manchas solares de 11 años es la mitad de un ciclo de dínamo solar Babcock-Leighton de 22 años , que corresponde a un intercambio oscilatorio de energía entre campos magnéticos solares toroidales y poloidales que está mediado por flujos de plasma solar que también proporciona energía al sistema de dínamo en cada paso. En el máximo del ciclo solar , el campo magnético dipolar poloidal externo está cerca de su intensidad mínima del ciclo dinamoidal , pero un campo cuadrupolar toroidal interno , generado mediante la rotación diferencial dentro de la tacoclina , está cerca de su intensidad máxima. En este punto del ciclo de la dinamo, la afluencia ascendente dentro de la zona de convección fuerza la aparición del campo magnético toroidal a través de la fotosfera, dando lugar a pares de manchas solares, alineadas aproximadamente de este a oeste con polaridades magnéticas opuestas. La polaridad magnética de los pares de manchas solares se alterna en cada ciclo solar, un fenómeno conocido como ciclo de Hale. [93] [94]

Durante la fase de declive del ciclo solar, la energía se desplaza del campo magnético toroidal interno al campo poloidal externo, y las manchas solares disminuyen en número. En el mínimo solar, el campo toroidal es, correspondientemente, a la fuerza mínima, las manchas solares son relativamente raras y el campo poloidal está en la fuerza máxima. Durante el siguiente ciclo, la rotación diferencial vuelve a convertir la energía magnética del campo poloidal al toroidal, con una polaridad opuesta a la del ciclo anterior. El proceso continúa de forma continua y, en un escenario idealizado y simplificado, cada ciclo de manchas solares de 11 años corresponde a un cambio en la polaridad del campo magnético a gran escala del Sol. [95] [96]

Los modelos de dínamo solar indican que los procesos de transporte de flujo de plasma en el interior solar, como la rotación diferencial, la circulación meridional y el bombeo turbulento, juegan un papel importante en el reciclaje de los componentes toroidales y poloidales del campo magnético solar ( Hazra y Nandy 2016 ). La fuerza relativa de estos procesos de transporte de flujo también determina la "memoria" del ciclo solar que juega un papel importante en las predicciones del ciclo solar basadas en la física. Yeates, Nandy y Mackay (2008) y Karak y Nandy (2012) , en particular, utilizaron simulaciones de dínamo solar no lineal forzadas estocásticamente para establecer que la memoria del ciclo solar es corta, dura más de un ciclo, lo que implica que las predicciones precisas solo son posibles para el próximo ciclo de manchas solares y no más allá. Este postulado de una memoria corta de un ciclo en el mecanismo de la dínamo solar fue posteriormente verificado observacionalmente por Muñoz-Jaramillo et al. (2013) .

Aunque durante mucho tiempo se pensó que la tacoclina era la clave para generar el campo magnético a gran escala del Sol, investigaciones recientes han cuestionado esta suposición. Las observaciones de radio de las enanas marrones han indicado que también mantienen campos magnéticos a gran escala y pueden mostrar ciclos de actividad magnética. El Sol tiene un núcleo radiativo rodeado por una envoltura convectiva, y en el límite de estos dos está la tacoclina . Sin embargo, las enanas marrones carecen de núcleos radiativos y tacoclinas. Su estructura consiste en una envoltura convectiva similar a la solar que existe desde el núcleo hasta la superficie. Dado que carecen de una tacoclina pero aún muestran una actividad magnética similar a la solar, se ha sugerido que la actividad magnética solar solo se genera en la envoltura convectiva. [97]

Se ha teorizado durante mucho tiempo que los planetas pueden tener una influencia en el ciclo solar, con muchos artículos especulativos publicados a lo largo de los años. En 1974 hubo un best-seller llamado The Jupiter Effect basado en la idea. Por ejemplo, se propuso [98] que el par ejercido por los planetas sobre una capa de tacoclina no esférica en las profundidades del Sol puede sincronizar la dínamo solar. Sin embargo, se demostró que sus resultados [99] son un artefacto del método de suavizado aplicado incorrectamente que conduce al aliasing . Sin embargo, las obras que proponen la supuesta influencia de las fuerzas planetarias sobre el sol siguen apareciendo de vez en cuando, [100] aunque sin un mecanismo físico cuantitativo para ello. Sin embargo, se sabe [101] que la variabilidad solar es esencialmente estocástica e impredecible más allá de un ciclo solar, lo que contradice la idea de la influencia planetaria determinista sobre la dínamo solar. Además, los modelos de dínamo modernos reproducen con precisión el ciclo solar sin ninguna influencia planetaria. [102] En consecuencia, la influencia planetaria sobre la dínamo solar se considera marginal y contradice los principios de la navaja de Occam .

  • Ciclo Brückner-Egeson-Lockyer
  • Formación y evolución del sistema solar.
  • Lista de artículos relacionados con el sol
  • Lista de eyecciones de masa coronal
  • Lista de ciclos solares
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  • Ciclo de vida del sol
  • Luz de sol

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