Ciencia para entender la actividad del Sol y mejorar la predicción del clima espacial

Una intensa actividad solar ha cobrado protagonismo durante la última semana. La culpable es la región 3664, un enorme grupo de manchas solares que está emitiendo numerosas llamaradas solares, de lo que da cuenta el Real Observatorio de Bélgica en Bruselas, encargado desde 1981 del Centro Mundial de Datos para el Índice de Manchas Solares y Observaciones Solares a Largo Plazo (SILSO). Destaca la más intensa de este ciclo solar e incluso de entre las que se han generado desde 2017, lanzada el pasado martes 14. La del jueves 9 desencadenó varias tormentas solares severas durante el fin de semana, entre ellas la que dio lugar al evento que más ha llamado la atención y el asombro del público y los medios de comunicación: las hermosas auroras que pudieron contemplarse la noche del viernes y la madrugada del sábado incluso en latitudes tan insuales como la nuestra.

El espectáculo maravilló a quien tuvo la oportunidad de disfrutarlo, ya fuera en directo o través de las numerosas imágenes que se han difundido por redes sociales, pero a la vez desconcertó y creó cierto alarmismo, al tratarse de un fenómeno que asociamos generalmente a las zonas polares. Sin embargo no hay nada de que preocuparse; el momento en que se producen no es una coincidencia y las auroras en sí no tienen mayor consecuencia para el ser humano que la placentera complacencia estética. Para lo demás, la ciencia tiene o busca respuesta, con investigadores a la vanguardia desde Andalucía. Conocer los distintos fenómenes que se producen en torno al Sol, cómo pueden afectarnos y saber cómo lo hicieron en el pasado puede aplacar nuestra curiosidad e incluso inquietud.

Hacia el máximo del ciclo solar

«El Sol sigue siendo tan tranquilo como siempre. Su tranquilidad se cifra por comparación con otras estrellas. Sin embargo, de forma episódica, libera energía tanto cinética (expulsa partículas —básicamente protones— a gran velocidad) como radiativa (energía asociada a la radiación electromagnética, no energía radiactiva). Esos episodios de liberación de energía, los cuales asociamos en la Tierra a las conocidas como tormentas solares, tienen un origen magnético». Así lo explica José Carlos del Toro, investigador del Grupo de Física Solar del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC), especialista en campos magnéticos solares.

En la atmósfera del Sol se ha producido un cambio de energía: la que almacenaba el campo magnético se ha transformado en cinética y radiativa. Esto ocurre porque aunque nuestra estrella es tranquila, su actividad sí varía periódicamente: cada once años. Es el tiempo promedio que dura un ciclo solar, a lo largo del cual su actividad magnética oscila desde un mínimo hasta un máximo. El último mínimo, el momento más silencioso del astro rey, se produjo en diciembre de 2019, marcando el inicio del nuevo ciclo, el número 25 desde que se empezaron a tomar registros. Según los expertos, a lo largo de este año o principios del que viene, la actividad magnética llegará a su pico dentro de este ciclo, el llamado máximo solar.

Esta imagen dividida muestra la diferencia entre un Sol activo durante el máximo solar (a la izquierda, capturado en abril de 2014) y un Sol tranquilo durante el mínimo solar (a la derecha, capturado en diciembre de 2019). Imagen: NASA/SDO

Aunque se conocen muchos detalles sobre el ciclo de actividad, su naturaleza y causas son todavía una de las grandes cuestiones abiertas de la física solar, y no se dispone de un modelo que permita una predicción exacta sobre cómo se va a comportar el Sol. Pero se trabaja para entenderlo, para tener una idea aproximada de lo que se puede esperar en términos de clima o meteorología espacial, que se ocupa del estudio de la interacción entre el Sol y la Tierra y de los riesgos derivados tanto para las personas como para la tecnología e infraestructura espacial y terrestre.

De momento se puede saber que, si no estamos en el pico nos estamos acercando, por el aumento de la actividad magnética solar con respecto a la de los años precedentes, lo cual se manifiesta en forma de manchas, llamaradas y eyecciones de materia al espacio interplanetario, provocando en última instancia tormentas solares severas.

¿Qué son las manchas, llamaradas y eyecciones de masa coronal?

Las manchas solares son las «pecas» oscuras de nuestra estrella, indicativas de perturbaciones magnéticas locales en la superficie solar. Son más oscuras porque están más frías que otras partes de la superficie, aunque aquí la temperatura del Sol sigue siendo muy alta, ¡casi 3 600 grados! Hay constancia de su observación por astrónomos chinos 800 años a.C., pero no se empezaron a contabilizar a diario de forma rigurosa hasta 1849. Con todo, los registros se remontan a 1612, cuando Galileo Galilei las observó por primera vez con telescopio. Assumpció Català, la primera mujer en ocupar un puesto de astrónoma profesional en la universidad española, fue una de las encargadas de llevar a cabo observaciones sistemáticas de manchas solares, en su caso durante más de treinta años.

Durante el mínimo solar, estas manchas son pocas y espaciadas, pero para el máximo de este ciclo se esperan cerca de 140. «A mayor concentración de campo magnético (más manchas) más posibilidad de que aparezcan tormentas solares, pero la relación no es, ni mucho menos uno a uno: cuando hay más manchas, puede haber más tormentas, pero no es cierto que cada grupo de manchas vaya a producir una tormenta», matiza José Carlos del Toro.

Suelen durar varios días, aunque las de mayor tamaño pueden mantenerse varias semanas. En concreto, el grupo tan grande y complejo que se desarrolló la semana pasada, conocido como región 3664, es uno de las más grandes y activos de los que se tiene registro, de 200 000 kilómetros de tamaño, unas 15 veces más ancho que nuestro planeta. De hecho se ha podido observar desde la Tierra a simple vista, eso sí, con las protecciones adecuadas, las mismas que se utilizan para contemplar un eclipse de sol con seguridad. Su tamaño se asemeja a la mancha que provocó la gran tomenta geomagnética conocida como evento de Carrington, en 1859, la más potente de la que se tienen datos. Aquella midió 160 000 kilómetros.

El martes 14 se registró la llamarada solar más fuerte hasta ahora del ciclo solar, de categoría X8.7. Imagen: SILSO

La región 3664 ha sido la fuente de varias erupciones solares. También conocidas como llamaradas o fulguraciones solares, se trata de una liberación súbita e intensa de radiación electromagnética en la cromosfera del Sol, lo que genera una aceleración de partículas a velocidades cercanas a la de la luz. Al igual que sucede con las manchas, su frecuencia también cambia, pasando de menos de una a la semana a varias al día en periodos de máximo solar, como ha ocurrido en los últimos días.

Existe un sistema de clasificación que las divide según su tamaño, desde las más pequeñas, de clase A, a las más grandes, de clase X. El número que acompaña a la letra proporciona más información sobre su fuerza. Todas las registradas por el SILSO durante la última semana (también con anterioridad), han sido de clase X. Entre las de la última semana destaca el trío lanzado el martes 14, una de ellas clasificada como X8.7, la más intensa de este ciclo solar e incluso de entre las que se han generado desde 2017 (entonces fueron X11.8 y X13.3, bastante seguidas). Y ello pese a que la mancha ha girado completamente sobre el extremo oeste del Sol.

Estas llamaradas a veces van acompañadas de una eyección de masa coronal (CME, por sus siglas en inglés), enormes nubes de plasma y campo magnético lanzadas al espacio desde el Sol. Una analogía útil para diferenciarlas es imaginar el disparo de un cañón. La llamada solar sería el destello que provoca el disparo, que se puede ver en cualquier lugar cercano. El CME sería la bala, impulsada hacia adelante en una sola dirección y afectando un área concreta.

Las eyecciones más rápidas ocurren con mayor frecuencia cerca del pico del ciclo solar. El Sol puede expulsar materia en cualquier dirección, por lo que solo algunas se encontrarán con la Tierra. Si el impacto se produce cuando el campo magnético terrestre está orientado al norte rebotará inofensivamente en la magnetósfera, que actúa como escudo protector. Si está orientado al sur es cuando se generan las tormentas solares o electromagnéticas, perturbaciones del campo magnético de la Tierra que pueden durar desde varias horas hasta incluso algunos días.

De las tormentas solares severas a las auroras

Precisamente también esta semana ha coincidido la llegada de la primera de una serie de CME que ha provocado tormentas solares extremadamente severas. Al igual que sucede con las erupciones solares, el organismo estadounidense que monitoriza la interacción helioterrestre, emite los pronósticos y alertas del clima espacial, el Centro de Predicciones de Clima Espacial (SWPC), dependiente de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA), clasifica las tormentas geomagnéticas en cinco categorías, desde las más suaves (G1) hasta las más severas (G5).

Para el pasado fin de semana la NOAA emitió una alerta de tormentas geomagnéticas que podían subir de G1 a G4, un máximo que no se registraba desde comienzos de 2005. Sin embargo, entre la noche del viernes y la madrugada del sábado el evento llegó a alcanzar la categoría G5, dando lugar a preciosas auroras.

Las auroras boreales y las australes (porque sí, también se producen en el Polo Sur) son la cara benigna de las tormentas solares severas, una manifestación bellísima del enérgico impacto de las partículas de CME sobre la ionosfera. «El escudo que tenemos frente a ellas  es el campo magnético de la Tierra. Éste las desvía hacia los polos, donde impactan normalmente. Cuando la energía de las partículas es especialmente grande, el impacto puede tener lugar también a latitudes más bajas, como en los últimos sucesos», explica el investigador del IAA.

Así, en esta ocasión no ha hecho falta trasladarse a lugares privilegiados como Laponia, Islandia, Alaska, Cánada o Groenlandia en el Polo Norte, o la Antártida, Australia y Nueva Zelanda en el Sur. Las increíbles imágenes de un cielo rosado, violeta y verde se pudieron observar inicialmente en Alemania, Austria, Dinamarca, España e Italia, y con el paso de las horas se extendieron a EEUU y México. En el vídeo se pueden contemplar desde la estación de Vegas del Codorno (Agrupación Astronómica de Cuenca), recién incorporada a la Red de Detección de Bólidos y Meteoros de la Universidad de Málaga y la Sociedad Malagueña de Astronomía.

Los cambios de color están asociados a los iones atmosféricos excitados por el impacto de los protones solares. Cada color corresponde a una especia atómica. Sin embargo, como decíamos al principio, las auroras en sí, al igual que las tormentas solares severas, no tienen mayor consecuencia para el ser humano que el espectáculo visual, aunque sí podrían suponer algún problema para las infraestructuras espacial y terrestre.

Tormenta solar histórica aunque sin consecuencias devastadoras

Con todo, aunque esta tormenta geomagnética se pueda considerar histórica por su dimensión, las consecuencias no han sido tan devastadoras como en otras anteriores. La de 1859 es la primera de la que se tienen datos, el llamado evento de Carrington, relacionada con una CME doble y que, como ahora, indujo auroras polares incluso en las latitudes ecuatoriales de la Tierra. También entonces se pudo contemplar de forma bastante espectacular desde España, como fue recogido por la prensa local de la época. Ocasionó cortes en los sistemas de comunicación por telégrafo, incluso incendios en las estaciones de recepción por las corrientes eléctricas inducidas. La primera tormenta solar severa ya de la era espacial sucedió en marzo de 1989, causando daños graves en infraestructuras de distribución de electricidad. Provocó la paralización durante más de nueve horas de la planta hidroeléctrica de Quebec (Canadá).

Comparativa de la mancha actual con el montaje que hizo en 1859 el astrónomo Richard Carrington del grupo de manchas solares que observó a través de su telescopio y que acabarían provocando la tormenta solar más intensa registrada. Imagen: NASA

Y es que, como subraya José Carlos del Toro, «en una sociedad tan tecnológica como la nuestra, la influencia de las tormentas solares severas aumenta en la medida en que aumenta nuestra dependencia de la tecnología. Los bombardeos de partículas y la radiación altamente energética pueden afectar al estado de la ionosfera y con él a nuestras comunicaciones por satélite, a la navegación tanto terrestre como náutica o aérea, a la seguridad de nuestras grandes líneas de suministro eléctrico, e incluso a la seguridad de los astronautas que se encuentran en la Estación Espacial Internacional. En ella disponen de una habitación del pánico con paredes de especial espesor, en la que los astronautas deben refugiarse cuando acontece una de estas tormentas solares severas».

Las alertas permitieron tomar medidas de precaución que han mitigado los efectos del impacto. Según SILSO, parecen haberse limitado a una serie de drones que se perdieron o se comportaron de manera errática durante la tormenta, y a la suspensión de ciertos trabajos agrícolas debido a la alteración de las aplicaciones GNSS (Sistemas Globales de Navegación por Satélite, como GPS y Galileo). Esto también se reflejó en la menor disponibilidad de determinadas herramientas de aviación basadas en GNSS. Igualmente afectó a la radiodifusión terrestre y a las comunicaciones por radio bidireccionales, y se registró una pérdida en la transmisión de datos del GOES-16, el principal satélite meteorológico geoestacionario de la NASA. La tormenta también puso a prueba los Starlink, la flota satelital de SpaceX, que resistieron pese a enfrentarse a dificultades considerables. Con todo, durante los próximos meses se irán conociendo más detalles sobre los dominios afectados.

Ciencia para mejorar la predicción del clima espacial

Por ello es tan importante mejorar la prediccción de eventos como las tormentas solares severas. En este empeño trabajan equipos de investigación a nivel internacional. Desde España, el Grupo de Tiempo Espacial de la Universidad de Alcalá es el más activo y especialmente dedicado a este tipo de fenómenos. El resto de la comunidad de física solar y heliosférica también está implicada a distintos niveles de forma más o menos directa.

En especial, el Spanish Space Solar Physics Consortium (S3PC), constituido por el Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial, el Departamento de Ingeniería Electrónica de la Universidad de Valencia, el Instituto Universitario de Microgravedad ‘Ignacio Da Riva’ y el Instituto de Astrofísica de Canarias, bajo el liderazgo del Instituto de Astrofísica de Andalucía, encargado del desarrollo de magnetógrafos solares aeroespaciales para distintas misiones espaciales y estratosféricas.

Detalla del Toro Iniesta que el último instrumento en cuyo desarrollo se encuentran implicados en estos momentos es el espectropolarímetro imaginador Photospheric Magnetic field Imager (PMI), para la misión Vigil de la ESA. «Vigil es la primera misión europea para vigilar el tiempo espacial. Proporcionará una visión inédita de los fenómenos solares desde el punto L5 de Lagrange del sistema Sol-Tierra. Desde este punto, los fenómenos solares que tendrán consecuencias en la Tierra se detectarán con cinco o seis días de anticipación, lo cual nos facultará para programar medidas que mitiguen los posibles efectos. Será un gran avance para la sociedad mundial».

Ilustración de la misión Solar Orbiter. Imagen: ESA/Medialab

Aunque no de manera directa, también está contribuyendo de manera significativa a la meteorología espacial la misión Solar Orbiter, lanzada en 2020 para observar el astro rey desde una perspectiva sin precedentes y para estudiar la física solar y la influencia del Sol en el medio interplanetario. Desarrollada por la Agencia Espacial Europea con la participación de la NASA, cuenta entre su instrumentación con otro espectropolarímetro imaginador, SO/PHI (Solar Orbiter/Polarimetric and Helioseismic Imager), codesarrollado por el IAA dentro del consorcio S3PC junto a otros socios internacionales.

«Es de forma indirecta porque la misión no está especialmente diseñada para ello, pero qué duda cabe que el nuevo conocimiento que estamos recibiendo del campo magnético solar va a contribuir de forma significativa a nuestra comprensión del tiempo espacial. Por ejemplo, hemos observado de forma directa, por primera vez, el campo magnético de la cara trasera del Sol (cara trasera desde la Tierra). Estas medidas son muy importantes para cotejar nuestros modelos teóricos de predicción de la actividad solar», apunta del Toro, colider del instrumento SO/PHI.

«Hasta ahora, teníamos que esperar del orden de 13 días para comprobar si las predicciones eran acertadas y, como las regiones activas evolucionan, corríamos el riesgo de que, tras media rotación solar (de periodo ~ 27 días), dichas regiones activas hubieran cambiado e incluso desaparecido. Con Solar Orbiter, podemos observar a la vez ambas caras a la vez (la frontal desde la Tierra) y, como digo, comprobar las predicciones. Saber con una antelación de 13 días y medio la probabilidad de que ocurran estas tormentas geomagnéticas es un avance formidable. Solar Orbiter también puede contribuir de otras formas, pero aún más indirectas», continúa el investigador.

Fenómeno excepcional

El fenómeno que hemos vivido la última semana se puede considerar como excepcional al haber coincidido la tormenta solar de una zona específica de manchas solares con la posición relativa de la Tierra, que son dos cosas que no suelen ocurrir simultáneamente.

De momento la región 3664 sigue rotando hacia la cara oculta de nuestra estrella, donde sus impactos no pueden llegar a la Tierra, aunque sigue superactiva, lanzando llamaradas. Ahora comienza a aparecer en el campo de visión de Marte, donde los científicos de la NASA se preparan para su estudio.

En nuestra cara visible parece ceder el protagonismo a una nueva mancha que viene emergiendo desde la extremidad al este del Sol y que está también provocando fuertes erupciones. Si la actividad magnética solar está o se encuentra llegando a su máximo del ciclo, lo más probable es que vaya aparejado con un aumento del número de tormentas, «pero su intensidad es algo difícil de predecir con nuestro conocimiento actual», recuerda del Toro. Habrá que estar pendientes del cielo.