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sábado, 8 de abril de 2017

Estructura del Sol y su influencia sobre la Tierra – 2º Parte



El Espacio Terrestre
Los efectos de la radiación y de las partículas que salen del Sol serían mortales para los habitantes de la Tierra si no fuera porque hay dos mecanismos protectores. El primero es la atmósfera de la Tierra, que bloquea los rayos X y la mayor parte de la radiación ultravioleta. Cuando los rayos X o los rayos ultravioletas se encuentran con la atmósfera, chocan con sus moléculas y son absorbidos por ellas, haciendo que las moléculas se ionicen; los fotones son re-emitidos, pero a longitudes de onda mucho más largas (y menos biológicamente destructivas). El segundo mecanismo de protección es el campo magnético de la Tierra. Esto protege a los organismos vivos de las partículas cargadas que llegan al planeta constantemente, como parte del viento solar y las ráfagas mucho más grandes que llegan después de las eyecciones de masa del Sol.
Cuando las partículas cargadas encuentran el campo magnético de la Tierra, generalmente se enrollan alrededor de las líneas de campo. Solo cuando el camino de la partícula es paralelo al campo, puede viajar sin ser deflexionada. Si la partícula tiene algún movimento transversal a las líneas de campo, sufrirá una deflexión siguiendo una trayectoria circular o en espiral producida por la fuerza de Lorentz.
La mayoría de las partículas cargadas del viento solar son desviadas por el campo magnético de la Tierra en una zona llamada  magnetopausa, ubicada a una distancia de unos 10 radios de la Tierra por encima de la Tierra en el lado que es de día. Dentro de la magnetopausa, el campo magnético de la Tierra tiene el efecto dominante sobre el movimiento de las partículas, y fuera de ella el campo magnético del viento solar tiene el control.
Hasta 1960, el campo magnético de la Tierra, llamado campo geomagnético, se pensó que era el campo de  un dipolo simple, como el de una barra imantada. Todavía no conocemos los detalles de lo que produce el campo geomagnético, excepto que debe haber corrientes circulando dentro de la Tierra, probablemente asociadas con el núcleo fundido. Con el descubrimiento del viento solar, los físicos se dieron cuenta de que el campo magnético de la Tierra es “empujado” desde el Sol. El viento solar ejerce una presión en el campo magnético de la Tierra que lo comprime en el lado que mira hacia el Sol (día) y lo estira en una cola muy larga en el lado más alejado del Sol (noche). Esta envoltura magnética compleja se llama magnetósfera (Figura 1).


Fig.1 – El campo magnétco de la tierra afectado por el viento solar

En el lado que mira hacia el Sol, el viento solar comprime la magnetósfera hasta  una distancia de unos 10 radios terrestres; en el lado opuesto, la cola del campo magnético se extiende por más de 1000 radios terrestres. La magnetósfera está llena de plasmas tenues de diferentes densidades y temperaturas, que se originan del viento solar y la ionosfera. La ionosfera es una capa altamente cargada de la atmósfera de la Tierra que está formada por el efecto ionizante de la radiación solar sobre las moléculas atmosféricas. A principios de los años sesenta, los físicos solares comenzaron a darse cuenta de que el viento solar lleva el campo magnético del Sol hacia los confines del sistema solar. Esta extensión del campo magnético del Sol se llama campo magnético interplanetario y puede unirse con líneas de campo geomagnético originadas en las regiones polares de la Tierra. Esta unión de los campos magnéticos del Sol y de la Tierra se llama reconexión magnética, y sucede de manera más efectiva cuando los dos campos son antiparalelos (igual dirección y sentido opuesto). A través de la reconexión los campos magnéticos del Sol y la Tierra se unen.
Las partículas de viento solar que se aproximan a la Tierra pueden entrar en la magnetósfera debido a la reconexión y luego viajar a lo largo de las líneas de campo geomagnético en una trayectoria de sacacorchos (Figura 2).

Fig. 2 – Partículas del viento solar siguiendo una trayectoria de sacacorcho.

Los iones positivos y los electrones siguen líneas de campo magnético (en sentidos opuestos) para producir lo que se denominan corrientes alineadas en el campo. El viento solar y la magnetósfera forman un vasto generador eléctrico que convierte la energía cinética de las partículas del viento solar en energía eléctrica. La potencia producida por este generador magneto-hidrodinámico puede superar los 10¹² vatios, aproximadamente, igual a la tasa media de consumo de energía en los Estados Unidos! Los plasmas y corrientes muy complejas en la magnetosfera no se comprenden completamente. Algunas de las partículas del viento solar viajan de regreso a lo largo de la cola magnética en corrientes que hacen que la cola prezca que tiene una batería gigante adentro de ella. Algunas partículas siguen las líneas de campo que convergen cerca de las regiones polares de la tierra y rebotan hacia adelante y hacia atrás, atrapadas en un espejo magnético. Otras partículas se inyectan en la ionosfera y forman un óvalo de luz alrededor de las regiones polares de la Tierra, llamadas auroras ovales. (Figura 2)
Las auroras son causadas por electrones chocando con moléculas y átomos en la ionosfera (Figura 3).

Fig.3 – Formación de las auroras.

Estas colisiones ionizan las moléculas y las excitan para emitir un amplio espectro de luz desde el infrarrojo al ultravioleta. La emisión auroral más común es una luz verde-blanquecina con una longitud de onda de 558 nm, que es producida por el oxígeno atómico. Una hermosa emisión de color rosa proviene de moléculas excitadas de nitrógeno. Las amplias y movedizas cortinas de color que resultan de la excitación molecular son familiares a las personas de las latitudes más al norte y más al sur, aunque se pueden ver desde cualquier parte de la Tierra si las condiciones son favorables. Las auroras se producen cerca de las regiones polares norte y sur de la Tierra, y las dos vistas son imágenes casi especulares entre sí. Las luces del norte se llaman  auroras boreales, mientras que las luces del sur se llaman auroras australes. Desde principios de 1900 los científicos han sospechado que tanto las auroras como las variaciones en el campo magnético de la Tierra deben ser causadas por algún tipo de corrientes que fluyen en la atmósfera superior. Hoy sabemos que hay muchas corrientes que fluyen en la magnetosfera, causadas por la interacción muy complicada entre el viento solar y el campo magnético de la Tierra. Aunque actualmente estas corrientes sólo se comprenden parcialmente, la que se ha estudiado más extensamente es la corriente de Birkeland, que está asociada con las auroras. Cuando el viento solar encuentra el campo magnético de la tierra, a unos 50.000 km sobre la Tierra, se genera una fuerza electromotriz (f.e.m.) de unos 100.000 voltios. Esta f.e.m. aplicada se distribuye a través de la magnetosfera y de la atmósfera superior de la tierra, tanto como el voltaje de un generador de la electricidad se distribuye alrededor de una red eléctrica. Una parte de la f.e.m. generada por el viento solar, tal vez de unos 10.000 voltios, acelera los electrones por líneas de campo magnético hacia la ionósfera a altitudes de unos 100 km. Estos electrones primero viajan horizontalmente y luego de nuevo a la atmósfera superior para formar un circuito cerrado. Aunque este circuito tiene muchas similitudes con un circuito simple con cables y una batería, también es muy complejo ya que se produce en el espacio tridimensional y varía enormemente en el tiempo a medida que cambia la intensidad del viento solar. Corrientes de hasta un millón de amperes son comunes, y la potencia total producida en este generador gigante puede ser tanto como 3 x 10¹²vatios! Son los electrones de alta velocidad cerca del fondo de este bucle de corriente los que chocan con moléculas y átomos de la atmósfera que producen las auroras. La emisión auroral más fuerte proviene de altitudes de unos 100 km. Como con cualquier circuito simple, la energía se disipa a medida que los electrones fluyen alrededor del bucle. Parte de esta energía aparece como la luz de las auroras, pero la mayor parte de ella se convierte en energía térmica, que calienta la atmósfera. Otro resultado importante de la corriente de Birkeland es que, como cualquier bucle de corriente, produce un campo magnético. Este campo se extiende hasta la superficie de la Tierra donde se suma al campo geomagnético, causando que fluctúe. Estas fluctuaciones en el campo magnético pueden entonces inducir corrientes en la superficie de la Tierra, o en conductores como líneas eléctricas o tuberías. Todo esto está determinado por el comportamiento del viento solar que llega a la Tierra, que a su vez está determinado por los acontecimientos que tienen lugar en el Sol. Cuando las auroras son muy visibles, a menudo es una señal de que hay un mayor flujo de partículas del viento solar. También significa que muchos de nuestros sistemas eléctricos y electrónicos en la Tierra pueden ser interrumpidos o incluso dañados. 
Efectos Terrestres
El complejo acoplamiento del viento solar y el campo geomagnético produce muchos efectos cerca de la Tierra. La Tierra está incrustada en la atmósfera externa del Sol y, por lo tanto, se ve afectada por los eventos que ocurren en las capas superficiales y en las regiones coronales del Sol. Los efectos terrestres son el resultado de tres tipos generales de condiciones en el Sol: llamaradas eruptivas (eruptive flares), filamentos desapareciendo y agujeros coronales frente a la Tierra.
Las llamaradas son fogonazos de corto plazo, que duran minutos u horas. Por lo general, se producen cerca de regiones activas en el Sol, donde se producen cambios abruptos en el campo magnético. Todavía falta una comprensión completa de las condiciones y la secuencia de eventos asociados con las llamaradas, pero generalmente cuando comienza una llamarada, el plasma es acelerado hacia afuera del Sol.
Este plasma generalmente regresa de forma arqueada y, al chocar con el material más denso de la cromosfera, emite rayos X de Bremsstrahlung. En llamaradas más eruptivas, el plasma es lanzado más lejos del Sol, y esta radiación puede tener un efecto significativo si alcanza el medio ambiente de la Tierra.
La actividad eruptiva a largo plazo suele asociarse con la desaparición de los filamentos. Los filamentos son los rasgos largos, como de cadena, que aparecen prominentemente en fotos del Sol (Figura 4).

Fig. 4 - Filamentos

Se cuelgan como nubes en la baja cromosfera durante días o semanas y luego desaparecen, en la mayoría de los casos disipando, como si las nubes de la Tierra se "quemaran". En otros casos, sin embargo, los filamentos desaparecen al levantarse, alejándose de la cromosfera para formar unas prominencias arqueadas gigantes.
En algunos casos, las prominencias se separan del Sol y grandes ráfagas de plasma se lanzan hacia el espacio.
La tercera fuente de masa que sale del Sol es el agujero coronal, fácilmente visto como una región oscura en una foto de rayos X del Sol (Figura 5).

Fig.5
Las líneas de campo magnético se extienden hacia afuera de los agujeros coronales, en contraste con otras regiones del Sol, donde las líneas de campo vuelven a conectarse (Figura 5). La estructura de campo abierto de los orificios coronales actúa como un conducto para plasma de baja densidad que fluye de manera constante. Los agujeros coronales residen permanentemente cerca de los polos del Sol, y el viento solar que fluye hacia afuera de éstos, generalmente no alcanza la tierra. Pero durante algunas rotaciones del Sol, los agujeros coronales se forman en las latitudes más bajas, mirando hacia la Tierra (Figura 5), y estos actúan como una manguera de incendio ampliamente enfocada rociando la Tierra con una alta intensidad de partículas cargadas.
Ahora sabemos que los orificios coronales de latitud media (generalmente ocurridos durante la fase de actividad solar después del máximo solar) son fuentes de corrientes de viento solar de alta velocidad, que recibe la Tierra en sincronismo con la rotación solar de 27 días. Anteriormente la causa de estas tormentas geomagnéticas recurrentes era desconocida, por lo que las regiones se llamaron M-regiones, M por misterioso. Las tormentas mayores no recurrentes y las grandes tormentas geomagnéticas están casi siempre asociadas con las eyecciones de masa coronal (EMC) y con las ondas de choque asociadas con las CME.
Hace varios siglos, los efectos disruptivos del Sol eran totalmente desapercibidos para los seres humanos. Pero a medida que se desarrollaba la tecnología que utilizaba corrientes, conductores y eventualmente ondas electromagnéticas, los efectos disruptivos del Sol se hicieron evidentes. Los primeros sistemas de telégrafos de los años 1800 estaban sujetos a corrientes misteriosas, que parecían generarse espontáneamente. No fue hasta la Segunda Guerra Mundial, cuando las comunicaciones de radio fueron altamente confiables, que los disturbios solares fueron reconocidos como un problema serio. Desde entonces, nuestra confianza en la tecnología electrónica ha crecido exponencialmente y también tiene el potencial disruptivo del Sol. El colapso masivo del sistema de energía de Hydro-Québec en 1989, que resultó en la pérdida temporal de 9450 megavatios hora de energía eléctrica, probablemente marcó el momento en que alguien más, que sólo la comunidad científica, tomó en serio las perturbaciones solares. A continuación se describen algunos de los principales efectos que constituyen un problema.
Corrientes inducidas geomagnéticamente
Cuando una intensa oleada de viento solar llega a la Tierra, hay muchos cambios que ocurren en la magnetósfera. El lado del día de la magnetosfera se comprime más cerca de la superficie de la Tierra y el campo geomagnético fluctúa salvajemente. Este tipo de evento es generalmente llamado una tormenta geomagnética. Durante una tormenta geomagnética, las corrientes de latitudes altas que ocurren en la ionósfera cambian rápidamente, en respuesta a los cambios en el viento solar. Estas corrientes producen sus propios campos magnéticos que se combinan con el campo magnético de la Tierra. A nivel del suelo, el resultado es un campo magnético cambiante que induce corrientes en cualquier conductor que esté presente. Estas son llamadas corrientes inducidas geomagneticamente, que a menudo circulan a través de la tierra, no siendo percibidas por los seres humanos. Pero cuando los buenos conductores están presentes, como tuberías y líneas de transmisión de energía eléctrica, las corrientes viajan a través de éstos también. Estas corrientes son el resultado de voltajes que son inducidos durante tormentas geomagnéticas. Se han medido tensiones tan altas como 10 voltios por milla. Aunque esto puede parecer pequeño, conduce a una diferencia de potencial de 10.000 voltios en una tubería o línea eléctrica de 1.000 millas de largo. En 1957 se registraron diferencias de voltaje de 3.000 V a lo largo de un cable transatlántico entre Terranova e Irlanda.
Las corrientes inducidas son mucho más graves en las latitudes más altas, cerca del óvalo auroral y en áreas que se encuentran sobre grandes depósitos de roca ígnea. Debido a que la roca ígnea tiene una conductividad baja, las corrientes inducidas tienden a tomar un camino a través de los conductores artificiales metálicos. En las tuberías, estas corrientes causan una mayor corrosión y el mal funcionamiento de los medidores de flujo del fluído transportado. Por el oleoducto de Alaska han circulado hasta 1.000 A durante las tormentas geomagnéticas.
En los grandes sistemas de energía eléctrica, como Hydro-Québec (en Canadá), los aumentos de corriente, debido a estas corrietes inducidas,  sobrecargan los transformadores y  bancos de capacitores, causando daños y apagones.
El problema se agrava por el hecho de que las corrientes inducidas geomagneticamente son en gran parte de corriente continua, mientras que todos nuestros sistemas de energía son de corriente alterna. Hydro-Quebec fue especialmente vulnerable, porque se encuentra bastante al norte y se encuentra por encima de enormes formaciones rocosas ígneas. Desde 1989 las compañías eléctricas se han preocupado mucho por las tormentas geomagnéticas. Con una mejor advertencia, las centrales eléctricas pueden protegerse en cierta medida, pero todavía hay un alto grado de vulnerabilidad. Los ingenieros eléctricos están intentando diseñar mecanismos de protección, pero a medida que construimos sistemas de energía más grandes, con más millas de líneas de transmisión, nuestra vulnerabilidad aumenta.
Este fenómeno debería ser tenido en cuenta en la gran extensión de líneas elétricas de 500KV instaladas en la Patagonia argentina en los últimos años.
Comunicaciones
Muchos de nuestros sistemas de comunicación utilizan la ionosfera para reflejar las señales de radio a larga distancia (HF). Debido a que la ionosfera se altera durante las tormentas geomagnéticas, estas comunicaciones reflejadas a menudo se distorsionan o desaparecen completamente. A pesar de que las emisiones de radio comerciales y de televisión rara vez se ven afectadas (VHF y UHF), la comunicación a distancias más largas, como tierra a aire, barco a tierra, Voz de América y radioaficionados, se interrumpen frecuentemente. Varios sistemas militares, como la alerta temprana, el radar en el horizonte y la detección de submarinos, se ven muy obstaculizados durante los momentos de alta actividad solar. Algunos tipos de comunicación de radio pueden ser "atascados" por los niveles aumentados de salida de radiofrecuencias del Sol. El atasco de las frecuencias de control de tráfico aéreo puede crear situaciones peligrosas para los viajeros aéreos. También hay muchos sistemas de navegación, que están en uso generalizado hoy en día, que son vulnerables a las perturbaciones solares. Los aviones y los buques utilizan señales de transmisores ubicados en todo el mundo para triangular sus posiciones. La actividad solar puede hacer que estos sistemas den información de localización que es inexacta por varios kilómetros. Si los navegadores son alertados de que un evento de protones o una tormenta geomagnética están en progreso, pueden cambiar a un sistema de respaldo.
Satélites
Los satélites, se colocan en órbitas altas que están por encima de la mayor parte de la atmósfera de la Tierra, de modo que tienen poco rozamiento por fricción que les afecte. Los satélites de comunicaciones, en órbitas geosíncronas, están a cerca de 6 radios terrestres de altura (a unos 36.000Km de altura). Los satélites de órbita baja, que giran alrededor de la Tierra cada 2 horas aproximadamente, apenas sobrepasan la atmósfera terrestre. Durante los períodos de alta actividad solar hay un aumento en la radiación ultravioleta y la entrada de energía auroral, y esto calienta la atmósfera de la Tierra, causando su expansión. Los satélites de órbita baja encuentran entonces una mayor resistencia que los hace caer a órbitas más bajas. Los satélites con sistemas de propulsión, y el combustible para accionarlos, pueden ser elevados de nuevo a sus órbitas correctas, pero algunas de las órbitas de los satélites se descompondrán causando que caigan a la Tierra; este fue el destino del Skylab. Los satélites altos, en órbitas geosincrónicas, no están sujetos a la resistencia del calentamiento atmosférico, pero están sometidos al viento solar. Estos satélites están generalmente bien protegidos de las partículas del viento solar por la magnetósfera, que normalmente tiene un grosor mínimo de unos 10 radios de la Tierra. Pero cuando una oleada de viento solar llega a la Tierra, el lado frontal de la magnetosfera puede ser comprimido o erosionado hasta un espesor de aproximadamente 4 radios de la Tierra. Esto coloca a los satélites altos fuera del escudo protector de la magnetosfera. El impacto de las partículas de alta velocidad tiene un efecto corrosivo sobre los satélites, y la acumulación de carga puede resultar de estas partículas. Las descargas eléctricas pueden atravesar los componentes de la nave espacial causando daños.
Efectos biológicos
Para gran parte de la población mundial, que vive en las latitudes medias, probablemente hay muy poco efecto directo cuando ocurre la actividad solar. Protones y electrones no alcanzan la superficie de la Tierra debido a la protección de la magnetosfera.
Sin embargo, los aviones que vuelan rutas de alta altitud polar están sujetos a un mayor flujo de protones porque el blindaje magnético es débil cerca de los polos. Todavía no se sabe cuán grave es esto para los pasajeros, pero algunos expertos aconsejan a las mujeres embarazadas no volar en rutas polares durante los momentos de alta actividad solar. También hay gran preocupación por la seguridad de los astronautas durante los eventos de protones solares. Los astronautas en los vuelos del transbordador espacial están bastante seguros porque el transbordador permanece en una órbita relativamente baja, bien protegida por la magnetosfera. La nave espacial proporciona un buen blindaje contra las partículas, pero cuando los astronautas están fuera de la nave espacial, están en un peligro mucho mayor. Los protones energéticos pueden penetrar profundamente en la magnetosfera y exponer a un astronauta a una dosis peligrosa de radiación. Las misiones espaciales que salen de la magnetosfera, como las misiones de Luna o Marte, tendrán que lidiar con los problemas de las perturbaciones solares. Un viaje a Marte tomará de 2 a 3 años, y los problemas de exposición a los efectos solares serán significativos. En la Estación espacial internacional, que está en una órbita baja,  los astronautas estan trabajando afuera por largos períodos de tiempo, y son muy vulnerables a la radiación solar. No obstante se ha observado que hay ciertos fenómenos que se producen en la órbita de la estación espacial, que mejoran la situación para los astronautas, con respecto a cuando no hay tormentas solares. En las referencias se encuentran enlaces que explican este fenómeno.
Hay muchas preguntas acerca de cómo proteger a los seres humanos de los efectos de la actividad solar, pero la capacidad de predecir eventos peligrosos de la energía solar, y dar advertencia avanzada a los que son vulnerables, es una de nuestras protecciones más poderosas.
En la imagen de la Fig.6, se ha intentado resumir los efectos de las tormentas solares sobre  varios de los elementos afectados.

Fig.6 – Efectos terrestres del Sol

Nota relacionada:

Referencias:
[2] http://ow.ly/uJoz308eLsY (Orden ejecutiva de Obama: para ver copie y pegue en su navegador)



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