Bajo un sol abrazador

Este artículo fue publicado en conmemoración del Año Heliofísico Internacional - 2007 en el Número 1 del Mensuario de la Sociedad Julio Garavito

No, no es incorrecta la ortografía del título. El Sol literalmente abraza todos los cuerpos que habitan en su entorno incluyendo planetas, asteroides, cometas y naves espaciales. Esta podría ser una manera bastante gráfica de describir la estrecha relación que nuestra estrella guarda con el Sistema Solar, relación que es precisamente el objeto de celebración del Año Heliofísico Internacional.

Para comenzar aclaremos lo que significa o estudia la Heliofísica. Contrario a lo que nuestro buen griego puede enseñarnos (Helios es Sol y Física es física!), la Heliofísica no es precisamente el estudio científico del Sol. A esta última disciplina los Astrofísicos acostumbran llamar corrientemente Física Solar (del latín Sol que significa sol!). La Heliofísica estudia la menos popular pero igualmente importante Heliosfera. La Heliosfera se define como la región (muy extensa) alrededor del Sol que contiene las partículas y campos emanados incesantemente por nuestra estrella.

Pero, ¿no es el Sol una fuente abundante de partículas que además han sido emitidas a lo largo de eones? ¿cómo podemos ante la definición del parrafo anterior pensar en una región limitada del espacio para contener todas estas partículas?. Las partículas que forman la heliosfera son transportadas en lo que se conoce como el Viento Solar, un flujo incesante que nace en la atmósfera superior de nuestra estrella y que se extiende y desvanece a medida que nos alejamos de ella. Muy lejos del centro y después de recorrer miles de millones de kilómetros el viento solar se diluye en la inmensidad de las regiones externas del sistema solar hasta que se hace en densidad y velocidad comparable con la de las partículas emanadas por otras estrellas y que vagan libremente por el medio interestelar. La transición en la Heliopausa, que es el nombre que se le da a esta frontera exterior de la Heliosfera, no es para nada tranquila y suave (ver ilustración). Normalmente con el viento solar son transportados campos magnéticos que cerca al borde de la Heliosfera se encuentran con campos interestelares y otras partículas cargadas sensibles de ser desviadas por los primeros. Esto crea las condiciones para pensar la Heliopausa como una barrera electromagnética que separa el interior y el exterior de la Heliosféra, que son también, como argumentaremos abajo, el interior y el exterior de nuesto Sol.

Pero ¿qué interes puede tener ocuparse de la Heliosfera? ¿amerita ella la declaración de un año especial para su estudio como ocurrio en 1957 cuando se declaraba el año Geofísico Internacional? En ese entonces el interés era bastante claro: estudiar la Tierra misma, el planeta donde vivimos, construimos nuestros edificios y que nos provee de alimento y refugio. Pero ¿la Heliosféra? ¿cómo puede algo formado por una “sustancia” que en sus mejores puntos contiene algunos átomos por centímetro cúbico y que se encuentra lejos de nuestro seguro refugio, despertar tal interés?

La razón estriba fundamentalmente en que como se ha venido descubriendo desde hace ya varias decadas, todo en el sistema solar, incluyendo nuestro pequeño planeta y su enorme campo magnético y las naves que se aventuran fuera de él, reside en el interior de esa extensa sustancia y es afectado por ella.

La sustancia de la que hablamos es como se menciono más arriba el Viento Solar. El Viento Solar no es otra cosa que la misma atmósfera superior de nuestra estrella impulsada hacia afuera por mecanismos no completamente conocidos y que no logra ser retenida por la gravedad de nuestra estrella. En terminos muy prácticos puede decirse que el Viento Solar y por lo tanto la Heliosfera misma es parte de la atmósfera del Sol y con esto que todo en el Sistema Solar esta sumergido realmente en él. El nombre de viento (del latín ventus, para no perder la costumbre!) que se usa para denotar la propiedad dinámica de esta sustancia proviene del hecho de que gran parte de las partículas que la conforman (iones, protones y electrones, en orden creciente de abundancia) se mueven sistemáticamente alejándose del Sol (no precisamente en forma radial como puede uno imaginarse) con velocidades de en promedio 450 km/s (más de 1'500,000 km/h!) como si fueran “soplados” desde él. Con una velocidad como esta, que no es realmente ningún record para una partícula subatómica (un electrón en un televisor de tubo puede viajar cerca de mil veces más rapido), y con una densidad increiblemente baja que ronda las 4 a 7 partículas en un centímetro cúbico (en una cucharada de agua hay trillones de veces más partículas!) se pregunta uno como puede la Heliósfera afectar realmente los cuerpos del Sistema Solar y a la Tierra misma como para producir todo este revuelo. La razón (muy simplificada) se resume en 2 palabras: carga eléctrica.

Todas las partículas que forman el viento solar están cargadas de electricidad, una fuerza increiblemente poderosa (creamoslo o no) que en condiciones normales esta apantallada por la coexistencia pacífica de partículas de cargas opuestas en las sustancias que nos rodean. Cuando esa fuerza es liberada en sistemas como el viento solar, produce efectos importantes sobre los cuerpos con los que interactua.

Los efectos más interesantes tienen que ver con la interacción de las partículas del viento solar con los campos magnéticos planetarios. Más o menos la mitad de los planetas en nuestro sistema solar, por una u otra razón, estan dotados de extensos campos magnéticos. Entre los planetas terrestres (Mercurio, Venus, la Tierra y Marte) solo nuestro planeta tiene un campo magnético de intensidad y alcance considerable. Mercurio, con aproximadamente dos quintas partes el tamaño de nuestro planeta, también tiene el suyo, pero es cerca de 10,000 veces menos intenso que el de la Tierra. Esta es una formidable fortuna para nosotros debido a que los campos magnéticos actúan como barreras naturales contra la que de de otro modo sería la nociva corriente del viento solar, que en Marte y en Venus parece haber estado y estar erosionando lentamente la atmósfera de esos planetas. Esto último sin contar el efecto que la incidencia directa de esas partículas podrían tener sobre los seres vivos en nuestro planeta.

Pero las partículas del viento solar, es decir la materia de la que esta hecha la Heliosfera, no son simplemente repelidas o desviadas por el campo magnético de la Tierra sin dejar su huella sobre ese mismo campo. La interacción entre ambos sistemas produce la deformación del que de otro modo sería un campo casí simétrico (ver ilustración). De una parte el campo magnético terrestre se comprime del mismo lado en el que las particulas del viento solar inciden frontalmente y se alarga del lado contrario. La región de choque entre ambos define los límites de lo que se conoce como la Magnetosféra Terrestre.

Hasta este punto todo parcería ser un cuento bastante Astrofísico y de poco interés general para los seres humanos normales. Esto hasta que descubrimos el efecto que la dinámica incesante de la magnetosfera tiene en aspectos específicos de la actividad humana (y para ir más lejos de la vida en el planeta). Para empezar con un ejemplo agradable y bonito podemos mencionar las Auroras Polares de los que la mayoría de nosotros habrá oido hablar aunque muy pocos habrán presenciado. Las Auroras son fabulosos despliegues luminosos producidos en la alta atmósfera de regiones de latitudes elevadas y que son causadas por la interacción de partículas cargadas que se cuelan por las líneas del campo magnético terrestre. Estas particulas golpean con fuerza los átomos de la atmósfera superior y los hacen emitir luz, en un fenómeno parecido al que tiene lugar en las lamparas fluorescentes. No debemos confundir sin embargo a esas partículas que logran “esquivar” la barrera del campo magnético terrestre con las partículas mismas del viento solar. Las auroras son producidas por la precipitación en la atmósfera de cargas eléctricas atrapadas en los denominados cinturones de radiación (cinturones de Van Allen, ver ilustración), que son dos enormes regiones en forma de dona que circundan nuestro planeta y que estan formadas por iones y electrones que se mueven atrapados por el magnetismo terrestre como lo harían las ovejas de un rebaño. Pero, ¿qué relación tienen entonces las auroras con la Heliósfera (el Viento Solar)? Cada vez que la densidad y velocidad de las partículas del viento solar cambia, la interacción de él con la magnetosfera cambia también. Como consecuencia esta última se intensifica y estrecha en el frente de choque con el viento solar y se alarga en el lado contrario. Estas variaciones en el “humor” del campo magnético terrestre inducen cambios en los cinturones que pueden reflejarse exactamente en la aparición de auroras particularmente intensas o en latitudes más bajas de lo normal. Esta es probablemente la manifestación más explícita de como la actividad de la Heliosfera produce efectos perceptibles en la Tierra (aunque hasta este punto sean puramente paisajisticos!) A la condición variable de la Heliosfera, su densidad, dirección de flujo, polaridad magnética y velocidad, que afecta de forma importante la magnetosfera terrestre y que produce entre otros efectos la aparición de las auroras se la conoce conjuntamente como el Clima Espacial.

Alejandonos de lo paisajistico y acercandonos más a la vida cotidiana, el Clima Espacial tiene efectos importantes en sistemas tecnológicos, debajo y encima de la atmósfera terrestre. Dos cosas deben considerarse en primera instancia. La primera es que aunque variable y a veces muy intenso, el clima de la Heliosfera no nos afecta directamente. Como sucede en el caso de la aurora, el efecto que un clima espacial tormentoso tiene en el planeta es producido indirectamente por los cambios que sufre la magnetosfera. Así por ejemplo, una magnetosfera que se contrae poderosamente con la llegada de un “grumo” de Viento Solar, es capaz de inducir enormes corrientes eléctricas en la superficie del planeta y fundir en el proceso redes de comunicaciones (un ejemplo se produjo en las redes telegráficas en Estados Unidos a principios del siglo XX) o dejar noquedas nuestras vitales redes de distribución eléctrica como sucedio en Quebec, Canada en 1989 cuando 6 millones de personas quedaron sin suministro eléctrico por 9 horas después de una tormenta geomagnética, es decir una violenta variación del campo magnético de la Tierra inducido por un evento del clima espacial.

Si con esto no se siente tocado todavía por la Heliosfera y convencido de la importancia de su seguimiento y observación considere ahora el siguiente efecto. ¿Que le parece quedar sin la señal de uno de sus canales de cable favoritos por la destrucción del satélite de comunicaciones que se usa para retransmitirlo? Muchos satélites como estos se encuentran ubicados en órbitas geoestacionarias, que estan entre las más grandes para un satélite artificial. A una distancia media de casí 6 veces el radio de nuestro planeta, los satélites geoestacionarios se encuentran peligrosamente cerca al borde “solar” de la magentosfera (el que da la cara al “viento”). En condiciones normales este borde esta situado a una distancia segura de 10 radios terrestres. Un poco más allá y estos satélites se expondrían directamente a los nocivos efectos de las partículas del viento solar incidiendo directamente sobre ellos sin protección alguna del campo de la Tierra. Pues bien, en los más ofuscados eventos de clima espacial, la magnetosfera puede comprimirse al punto de situar la magnetopausa (su borde exterior que marca el choque con el Viento Solar) a una distancia a la Tierra inferior al tamaño de la órbita de esos satélites. El efecto es que todos los satélites ubicados sobre la órbita geoestacionaria pasarán al menos 1 vez en el lapso de 24 horas por una zona de intenso bombardeo de partículas energéticas y de grandes variaciones en el campo magnético. Todo esto tiene un efecto desastrozo sobre la delicada electrónica del satélite y naturalmente puede destruirla. Así paso en 1997 cuando un satélite de comunicaciones de la AT&T debió ser dado de baja después de presentar fallas repetidas producidas por la exposición a estas condiciones extremas durante una “tormenta” espacial. Perdidas millonarias, sumadas a la interrupción temporal de algunos de los canales transmitidos por el satélite, estan entre las consecuencias de este evento. Lo anterior sin mencionar que las tormentas geomagnéticas producen serios efectos en sistemas de comunicaciones vitales, el sistema de posicionamiento global, del que depende hoy por hoy la navegación de aviones y embarcaciones entre otros que no podría detallar aquí.

En segundo lugar (entre los dos efectos importantes sobre los sistemas tecnológicos producidos por el clima espacial) esta el hecho de que acompañando los eventos más violentos del clima espacial llegan oleadas de destructivas formas de radiación que ponen en peligro la vida sobre y fuera de la Tierra. Una de las causas reconocidas de las más intensas tormentas espaciales son las que se conocen como Eyecciones de Masa Coronal (o CME por sus siglas en inglés). En estos violentos eventos, enormes cantidades de energía magnética contenida en la atmósfera solar (bueno al menos la atmósfera más cercana a él) son liberados después de gigantescos corto circuitos magnéticos. La energía así liberada produce entre otras la emisión de una bocanada masiva de plasma que incrementa considerablemente la densidad del viento solar durante el tiempo que dura el evento y en la dirección en la que se produce. Cuando esa bocanada llega a la Tierra confundida con el viento solar más normal, se desata una tormenta geomagnética que puede tener cualquiera de los efectos descritos en el parrafo anterior. Pero el corto circuito solar que da lugar a las CME no sólo produce una violenta expulsión de materia sino además la liberación de enormes cantidades de energía en la forma de radiación ionizante desde luz ultravioleta hasta rayos gamma. Este repentino incremento en la radiación energética solar puede poner en serios aprietos a astronautas en el transbordador o la estación espacial y con suficiente intensidad puede también tener un efecto en la atmósfera del planeta.

Con todo esto parece ahora un poco más obvio por qué la Heliosfera tiene el inmenso interés que ha llevado a la Oficina de Asuntos del Espacio Ultraterrestre de las Naciones Unidas (OOSA) ha declarar el 2007 como el año en el que el mundo prestará mucha más atención a los efectos de nuestro Sol abrazador.

Cibergrafía:

• http://sec.gsfc.nasa.gov, Sitio de la oficina de Heliofísica de NASA que coordina las misiones científicas para el estudio de la Heliósfera.

• http://ihy2007.org, Página oficial del Año Heliofísico Internacional, IHY-2007.

• http://web.mit.edu/afs/athena.mit.edu/org/s/space/www/helio.review/axford.suess.html, Un artículo sobre la Heliosfera especialmente dirigido hacia la definición de sus fronteras.

• http://en.wikipedia.org, en wikipedia se pueden encontrar interesantes y sintéticos artículos sobre Heliofísica (Heliophysics), Heliosfera (Heliosphere), Viento Solar (Solar Wind), Clima Espacial (Space Weather), Magnetosfera (Magnetosphere) y otros temas relacionados.

• http://www.solarstorms.org/SWChapter2.html, una detallada narración de uno de los más sonados casos de clima espacial vs. satélites de comunicaciones en el caso del famoso satélite Telstar 401 de AT&T

• http://www.sec.noaa.gov/today.html, el Clima Espacial Hoy, un sitio que presenta reportes diarios del estado del clima espacial. Administrado por el Space Environment Center de la NOAA.