La influencia de las SEP (partículas energéticas solares) y GRC (Rayos Cósmicos) en el Clima Terrestre y la Atmosfera

Además de la emisión constante de calor y la luz, el Sol envía ráfagas ocasionales de radiación solar que impulsan las partículas de alta energía hacia la Tierra. Estas partículas energéticas solares, o SEP, pueden afectar a los astronautas y a los satélites.

La conexión Tierra-Sol

El Sol, además de radiación (luz y calor), emite un flujo constante de partículas con carga eléctrica llamado viento solar que, junto con lo que se conoce como eyecciones de masa coronal (que suponen la expulsión de miles de millones de toneladas de material), constituyen una clara evidencia de la conexión Tierra-Sol.

La mayor parte de estas partículas es desviada por la magnetosfera, una especie de “caparazón” magnético invisible producido por el campo magnético interno del planeta que, no obstante, es más débil en los polos, regiones donde se concentran los efectos de esta precipitación continua de partículas.

Entre estos efectos, además de las hermosas auroras polares, se encuentran las tormentas magnéticas (que pueden interferir en las comunicaciones por radio, los satélites e incluso la corriente eléctrica), así como efectos en el clima producto de la interacción de las partículas con las distintas regiones atmosféricas y que aún no se conocen del todo.

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.
 

Algunos científicos afirma que “existen indicios muy claros del impacto de la precipitación de partículas energéticas solares sobre la composición atmosférica que han dejado su huella en el pasado”.
De hecho, recientemente se ha hallado que algunos eventos solares conocidos han quedado reflejados en los hielos de las regiones polares, en un proceso que aún no se conoce del todo.
Así, esta en marcha el proyecto “Sun-to-Ice” (del Sol al hielo), que constituye una investigación multidisciplinar que busca estudiar este proceso desde el momento en que las partículas emergen del Sol hasta su depósito en los hielos.

Si bien durante los últimos años los científicos han empezado a comprender los efectos de las partículas de alta energía procedentes del Sol sobre nuestra atmósfera, aún representa un campo con numerosas cuestiones abiertas:
“Con los datos actuales, conocemos relativamente bien los efectos directos de las partículas solares sobre la mesosfera y estratosfera. Y, aunque parecen no tener un impacto directo importante en la troposfera (es decir, sobre la meteorología en la superficie), desconocemos cuáles son los impactos indirectos, por ejemplo a través de la circulación atmosférica, sobre esta región de la atmósfera”

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.

Las mediciones de la irradiación solar total (IST) realizadas desde el espacio muestran variaciones de ~0,1 por ciento en la actividad solar en escalas de tiempo de 11 años o menos. Estos datos han sido corregidos con el fin de compensar las diferencias de calibración entre los distintos instrumentos empleados para medir la IST.

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.

Las huellas del ciclo solar son tan intensas en el Pacífico que algunos científicos 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.

Imágenes compuestas que muestran promedios de temperatura superficial y precipitación para diciembre, enero y febrero en los años de máxima actividad solar

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.
Esto 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.

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, 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), 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.
"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". 

Se recalca de forma global 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)
También quedo muy clara 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...

Las condiciones de SEP son monitoreadas desde una PCD (pre-computed database). Son producto de erupciones solares y eyecciones de masa coronal (CME) que pueden ser detectadas mediante las imágenes que provee SOHO y detectadas por CACTUS y otros monitores.
El índice SEP se incrementa exponencialmente con la altitud.
Dentro de este sub-producto, Los neutrones son los más críticos.
Debido a su neutralidad, pueden penetrar más profundamente a través de la atmósfera generando ionización sobre las aeronaves, la tripulación y los pasajeros. 

Generalmente, la cantidad y periodicidad de las SEP aumenta durante la presencia de CME’s.
Estas transportan material a través del espacio interplanetario que en muchas ocasiones arriva a la alta atmósfera terrestre.
La interacción aire-GCR-SEP produce eventualmente la ionización atmosférica, la cual varía con la altura y el campo magnético local.

Las partículas componentes de las SEP’s y las GCR’s  rompen los enlaces atómicos de aire generando una gran cantidad de energía, produciendo iones inestables que comienzan a decaer mediante los canales de radioactividad usuales. 
Las diferencias generadas por la estación del año presente también influyen en los rangos de exposición de radiación GCR.
La expansión atmosférica en verano debido al incremento de la temperatura incrementa la presión a 12 kms de altura.
Este aumento de la presión a una altitud determinada aumenta la protección de los flujos GCR.
Luego las dósis de radiación GCR son ligeramente menores en verano, en comparación con el invierno.

Se ha observado que las tormentas geomagnéticas medianas y grandes crean una ionosfera irregular sobre la zona continentales, y su efecto sobre las redes satelitales ha sido la inhabilitación de la guía vertical mientras duran dichas condiciones.
Los sistemas garantizan la seguridad, a expensas de la disponibilidad, y los operadores deben utilizar una ayuda alterna de aterrizaje de aeronaves o deberán realizar una aproximación de no precisión utilizando métodos análogos.
Las tormentas solares producen una demora o delay sobre las señales satelitales, reduciendo sus rangos de precisión de manera ostensible.
En varias ocasiones, las guías verticales han quedado inhabilitadas totalmente por espacio de horas hasta su reposición.
La siguiente imagen muestra los efectos geomagnéticos de las tormentas solares y por ende sobre el funcionamiento de los satélites.
El esquema contrasta los efectos de las SEP’s y GCR’s sobre las líneas de la magnetósfera.

La proporción de partículas aproximada de la GCR es de un 98% núcleos atómicos y un 2% de electrones. 

Para latitudes cercanas a los polos, de estos núcleos, el 90% son protones (núcleos de Hidrógeno), el 9% partículas alfa (núcleos de Helio) y el 1% núcleos más pesados.

Esta radiación se mantiene bastante estable en el tiempo, aunque aparece modulada por interacciones con el campo magnético inducido por el viento solar. 

Las variaciones en la actividad del Sol (cíclicas con un periodo de 11 años) hacen que la intensidad de la GCR en la parte superior de la atmósfera terrestre varíe de forma inversa a esta actividad solar. 

Es decir, en los periodos de mayor actividad solar, la GCR que llega a la Tierra es menor.

A la vista de lo expuesto queda claro que la afectación de las SEP y las GRC tienen una gran influencia en las capas altas de nuestra atmósfera...