Variabilidad solar y clima terrestre
19 de enero de 2013:
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 idioma 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 idioma 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.
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 idioma 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 idioma 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
idioma 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.
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 idioma 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.
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.
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.
De hecho, el Sol podría estar actualmente al borde de experimentar
un evento del tipo mini–Maunder. El Ciclo Solar 24 en el que nos
encontramos es el más débil que ha ocurrido en más de 50 años. Es más,
hay evidencia (aún controvertida) de una tendencia a largo plazo
relacionada con el debilitamiento de la intensidad del campo magnético
de las manchas solares. Matt Penn y William Livingston, del Observatorio
Solar Nacional (National Solar Observatory, en idioma 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".
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 idioma 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.
