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Observación solar

La observación solar es la actividad científica que estudia el Sol y su comportamiento y relación con la Tierra y el resto del Sistema Solar . La observación solar deliberada co...

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La observación solar es la actividad científica que estudia el Sol y su comportamiento y relación con la Tierra y el resto del Sistema Solar . La observación solar deliberada comenzó hace miles de años. Esa era inicial de observación directa dio paso a los telescopios en el siglo XVII, seguidos por los satélites en el siglo XX.

Prehistoria

Los datos estratigráficos sugieren que los ciclos solares se han producido durante cientos de millones de años, si no más; la medición de varvas en rocas sedimentarias precámbricas ha revelado picos repetidos en el espesor de las capas correspondientes al ciclo. Es posible que la atmósfera primitiva de la Tierra fuera más sensible a la radiación solar que hoy, de modo que se pudo haber producido un mayor derretimiento glacial (y depósitos de sedimentos más gruesos) durante años con mayor actividad de manchas solares. [1] [2] Esto supondría una estratificación anual; sin embargo, también se han propuesto explicaciones alternativas (diurnas). [3]

El análisis de los anillos de los árboles reveló una imagen detallada de los ciclos solares pasados: las concentraciones de radiocarbono datadas dendrocronológicamente han permitido una reconstrucción de la actividad de las manchas solares que abarca 11.400 años. [4]

Observaciones tempranas

La actividad solar y los eventos relacionados con ella se han registrado regularmente desde la época de los babilonios . En el siglo VIII a. C., [5] describieron los eclipses solares y posiblemente los predijeron a partir de reglas numerológicas. El informe existente más antiguo sobre manchas solares se remonta al Libro de los Cambios chino , c.  800 a . C. Las frases utilizadas en el libro se traducen como "Se ve un dou en el Sol" y "Se ve un mei en el Sol", donde dou y mei serían oscurecimiento u oscurecimiento (según el contexto). Los astrónomos chinos y coreanos anotaban observaciones regularmente a instancias de los emperadores, en lugar de hacerlo de forma independiente. [5]

La primera mención clara de una mancha solar en la literatura occidental, alrededor del 300 a. C., fue obra del antiguo erudito griego Teofrasto , alumno de Platón y Aristóteles y sucesor de este último. [6] El 17 de marzo del año 807 d. C., el monje benedictino Adelmo observó una gran mancha solar que fue visible durante ocho días; sin embargo, Adelmo concluyó incorrectamente que estaba observando un tránsito de Mercurio . [7]

El registro más antiguo que se conserva de una observación deliberada de manchas solares data del año 364 a. C., basado en los comentarios del astrónomo chino Gan De en un catálogo de estrellas . [8] Hacia el año 28 a. C., los astrónomos chinos registraban regularmente observaciones de manchas solares en registros imperiales oficiales. [9]

Se observó una gran mancha solar en el momento de la muerte de Carlomagno en el año 813 d. C. [10] La actividad de las manchas solares en 1129 fue descrita por Juan de Worcester y Averroes proporcionó una descripción de las manchas solares más tarde en el siglo XII; [11] sin embargo, estas observaciones también fueron malinterpretadas como tránsitos planetarios. [12]

La primera mención inequívoca de la corona solar la hizo Leo Diaconus , un historiador bizantino, quien escribió sobre el eclipse total del 22 de diciembre de 968, que presenció en Constantinopla (actual Estambul, Turquía): [13]

A la cuarta hora del día... la oscuridad cubrió la tierra y brillaron todas las estrellas más brillantes. Y era posible ver el disco del Sol, opaco y sin luz, y un resplandor tenue y débil como una banda estrecha que brillaba en un círculo alrededor del borde del disco.

—  León Diácono [13]
Dibujo en blanco y negro que muestra una escritura latina que rodea dos círculos concéntricos con dos puntos negros dentro del círculo interior.
Un dibujo de una mancha solar en las Crónicas de Juan de Worcester [14]

El registro más antiguo conocido de un dibujo de manchas solares fue en 1128, realizado por John de Worcester . [14]

En el tercer año de Lotario, emperador de los romanos, en el año veintiocho del rey Enrique de los ingleses... el sábado 8 de diciembre, aparecieron desde la mañana hasta la tarde dos esferas negras contra el sol.

—  Juan de Worcester , La crónica de Juan de Worcester , citado en Albert Van Helden, 1996. [15]

Otra observación temprana fue la de las prominencias solares, descritas en 1185 en la Crónica rusa de Nóvgorod . [13]

Por la tarde hubo un eclipse de sol. El cielo estaba muy oscuro y se veían estrellas... El sol se parecía a la luna y de sus cuernos salían como brasas encendidas.

—  Crónica rusa de Novgorod [13]

Siglos XVII y XVIII

Manchas solares en el mapa de Samuel Dunn de 1794

Giordano Bruno y Johannes Kepler sugirieron la idea de que el sol giraba sobre su eje. [16] Las manchas solares fueron observadas por primera vez telescópicamente el 18 de diciembre de 1610 (calendario gregoriano, aún no adoptado en Inglaterra) por el astrónomo inglés Thomas Harriot , como quedó registrado en sus cuadernos. [17] El 9 de marzo de 1611 (calendario gregoriano, tampoco adoptado aún en Frisia Oriental) fueron observadas por el estudiante de medicina frisio Johann Goldsmid (nombre latinizado Johannes Fabricius ) quien posteriormente se asoció con su padre David Fabricius , un pastor y astrónomo, para hacer más observaciones y publicar una descripción en un panfleto en junio de 1611. [18] Fabricius usó un telescopio de cámara oscura para obtener una mejor vista del disco solar y, al igual que Harriot, realizó observaciones poco después del amanecer y poco antes del atardecer. Johann fue el primero en darse cuenta de que las manchas solares revelaban la rotación solar, pero murió el 19 de marzo de 1616, a los 26 años, y su padre un año después. Varios científicos, como Johannes Kepler , Simon Marius y Michael Maestlin, conocían los primeros trabajos de Fabricius sobre las manchas solares y, de hecho, Kepler se refirió a ellos repetidamente en sus escritos. Sin embargo, al igual que el de Harriot, su trabajo no era muy conocido. Es casi seguro que Galileo Galilei comenzó a realizar observaciones telescópicas de manchas solares en la misma época que Harriot, dado que fabricó su primer telescopio en 1609 al enterarse de la patente holandesa del dispositivo y que anteriormente había logrado realizar observaciones de manchas solares a simple vista. También se dice que mostró manchas solares a astrónomos en Roma, pero no tenemos registros de las fechas. Los registros de observaciones telescópicas de manchas solares que tenemos de Galileo no comienzan hasta 1612, porque entonces son de una calidad y un detalle sin precedentes, ya que para entonces ya había desarrollado el diseño del telescopio y aumentado enormemente su aumento. [19] Del mismo modo, Christoph Scheiner probablemente había estado observando las manchas utilizando un helioscopio mejorado de su propio diseño. Galileo y Scheiner, ninguno de los cuales conocía el trabajo de Harriot o Fabricius, compitieron por el crédito por el descubrimiento. En 1613, en Cartas sobre las manchas solares , Galileo refutó la afirmación de Scheiner de 1612 de que las manchas solares eran planetas dentro de la órbita de Mercurio, demostrando que las manchas solares eran características de la superficie. [18] [20]

Aunque los aspectos físicos de las manchas solares no se identificaron hasta el siglo XX, las observaciones continuaron. [21] El estudio se vio obstaculizado durante el siglo XVII debido al bajo número de manchas solares durante lo que ahora se reconoce como un período prolongado de baja actividad solar, conocido como el Mínimo de Maunder . Para el siglo XIX, los registros de manchas solares, entonces suficientes, permitieron a los investigadores inferir ciclos periódicos en la actividad de las manchas solares. En 1845, Henry y Alexander observaron el Sol con una termopila y determinaron que las manchas solares emitían menos radiación que las áreas circundantes. La emisión de cantidades de radiación superiores a la media se observó más tarde desde las fáculas solares . [22] Las manchas solares tuvieron cierta importancia en el debate sobre la naturaleza del Sistema Solar . Demostraron que el Sol giraba, y sus idas y venidas mostraban que el Sol cambiaba, al contrario de Aristóteles, que había enseñado que todos los cuerpos celestes eran esferas perfectas e inmutables.

Entre 1650 y 1699, rara vez se registraron manchas solares. Un análisis posterior reveló que el problema era un número reducido de manchas solares, más que lapsos de observación. Basándose en el trabajo de Gustav Spörer , el equipo formado por la pareja de esposos Annie Maunder y Edward Maunder sugirió que el Sol había pasado de un período en el que las manchas solares prácticamente desaparecían a una renovación de los ciclos de manchas solares a partir de 1700 aproximadamente. A esta comprensión de la ausencia de ciclos solares se sumaron las observaciones de auroras , que estaban ausentes al mismo tiempo, excepto en las latitudes magnéticas más altas [23].

La falta de una corona solar durante los eclipses solares también se observó antes de 1715. [24]

El período de baja actividad de manchas solares de 1645 a 1717 más tarde se conoció como el " Mínimo de Maunder ". [25] Observadores como Johannes Hevelius , Jean Picard y Jean Dominique Cassini confirmaron este cambio. [20]

Siglo XIX

Espectroscopia solar

Después de la detección de la radiación infrarroja por William Herschel en 1800 y de la radiación ultravioleta por Johann Wilhelm Ritter , la espectrometría solar comenzó en 1817 cuando William Hyde Wollaston notó que aparecían líneas oscuras en el espectro solar cuando se observaba a través de un prisma de vidrio . Joseph von Fraunhofer descubrió más tarde de forma independiente las líneas y se las llamó líneas de Fraunhofer en su honor. Otros físicos discernieron que las propiedades de la atmósfera solar podían determinarse a partir de ellas. Los científicos notables que hicieron avanzar la espectroscopia fueron David Brewster , Gustav Kirchhoff , Robert Wilhelm Bunsen y Anders Jonas Ångström . [26]

Ciclo solar

400 años de historia del número de manchas solares .

La variación cíclica del número de manchas solares fue observada por primera vez por Samuel Heinrich Schwabe entre 1826 y 1843. [27] Rudolf Wolf estudió el registro histórico en un intento de establecer una historia de las variaciones solares. Sus datos se extendieron solo hasta 1755. También estableció en 1848 una formulación relativa del número de manchas solares para comparar el trabajo de diferentes astrónomos que usaban diferentes equipos y metodologías, ahora conocido como el número de manchas solares de Wolf (o de Zúrich) .

Gustav Spörer sugirió posteriormente un período de 70 años antes de 1716 en el que rara vez se observaron manchas solares como la razón de la incapacidad de Wolf para extender los ciclos hasta el siglo XVII.

También en 1848, Joseph Henry proyectó una imagen del Sol en una pantalla y determinó que las manchas solares eran más frías que la superficie circundante. [28]

Alrededor de 1852, Edward Sabine, Wolf, Jean-Alfred Gautier y Johann von Lamont encontraron independientemente un vínculo entre el ciclo solar y la actividad geomagnética, lo que dio inicio a la primera investigación sobre las interacciones entre el Sol y la Tierra. [29]

En la segunda mitad del siglo XIX, Richard Carrington y Spörer observaron de forma independiente la migración de la actividad de las manchas solares hacia el ecuador solar a medida que avanza el ciclo. Este patrón se visualiza mejor en la forma del llamado diagrama de mariposa, construido por primera vez por Edward Walter Maunder y Annie Scott Dill Maunder a principios del siglo XX (véase el gráfico). Las imágenes del Sol se dividen en franjas latitudinales y se calcula la superficie fraccionaria promedio mensual de las manchas solares. Esto se traza verticalmente como una barra con código de colores y el proceso se repite mes tras mes para producir un diagrama de series temporales.

Diagrama de la mariposa de las manchas solares. Esta versión moderna la ha elaborado (y actualizado periódicamente) el grupo solar del Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA.

Medio siglo después, el equipo formado por padre e hijo Harold y Horace Babcock demostró que la superficie solar está magnetizada incluso fuera de las manchas solares; que este campo magnético más débil es un dipolo de primer orden ; y que este dipolo sufre inversiones de polaridad con el mismo período que el ciclo de manchas solares (véase el gráfico siguiente). Estas observaciones establecieron que el ciclo solar es un proceso magnético espaciotemporal que se desarrolla sobre el Sol en su totalidad.

Diagrama de tiempo en función de la latitud solar del componente radial del campo magnético solar, promediado a lo largo de rotaciones solares sucesivas. La firma de "mariposa" de las manchas solares es claramente visible en latitudes bajas. Diagrama elaborado (y actualizado regularmente) por el grupo solar del Centro Marshall para Vuelos Espaciales de la NASA.

Fotografía

El Sol fue fotografiado por primera vez el 2 de abril de 1845 por los físicos franceses Louis Fizeau y Léon Foucault . Las manchas solares, así como el efecto de oscurecimiento del limbo , son visibles en sus daguerrotipos . La fotografía ayudó al estudio de las prominencias solares, la granulación y la espectroscopia. Charles A. Young capturó por primera vez una prominencia en 1870. También se fotografiaron eclipses solares; las primeras imágenes más útiles fueron tomadas en 1851 por Berkowski y en 1860 por el equipo de De la Rue en España. [29]

Rotación

Las primeras estimaciones del período de rotación del Sol variaban entre 25 y 28 días. La causa fue determinada independientemente en 1858 por Richard C. Carrington y Spörer . Descubrieron que la latitud con más manchas solares disminuye de 40° a 5° durante cada ciclo, y que en latitudes más altas las manchas solares rotan más lentamente. De este modo, se demostró que la rotación del Sol varía según la latitud y que su capa exterior debe ser fluida. En 1871, Hermann Vogel y, poco después, Charles Young confirmaron esto espectroscópicamente. La observación espectroscópica de Nils Dúner en la década de 1880 mostró una diferencia del 30% entre las regiones ecuatoriales más rápidas del Sol y sus regiones polares más lentas. [29]

Clima espacial

Los primeros relatos modernos, y claramente descritos, de una llamarada solar y una eyección de masa coronal ocurrieron en 1859 y 1860 respectivamente. El 1 de septiembre de 1859, Richard C. Carrington, mientras observaba manchas solares, vio parches de luz cada vez más brillante dentro de un grupo de manchas solares, que luego se atenuaron y se desplazaron a través de esa área en unos pocos minutos. Este evento, también reportado por R. Hodgson, es una descripción de una llamarada solar. El eclipse solar total del 18 de julio de 1860, ampliamente visto, dio lugar a muchos dibujos que mostraban una característica anómala que corresponde con las observaciones modernas de eyecciones de masa coronal. [26]

Durante muchos siglos, los efectos terrestres de la variación solar se observaron pero no se comprendieron. Por ejemplo, hace tiempo que se observan auroras en latitudes altas, pero no se las relaciona con el Sol.

En 1724, George Graham informó que la aguja de una brújula magnética se desviaba regularmente del norte magnético a lo largo de cada día. Este efecto fue finalmente atribuido por Balfour Stewart en 1882 a corrientes eléctricas aéreas que fluían en la ionosfera y la magnetosfera, y confirmado por Arthur Schuster en 1889 a partir del análisis de datos de observatorios magnéticos.

En 1852, el astrónomo y general británico Edward Sabine demostró que la probabilidad de ocurrencia de tormentas magnéticas en la Tierra estaba correlacionada con el número de manchas solares , demostrando así una novedosa interacción solar-terrestre. En 1859, una gran tormenta magnética provocó brillantes auroras y perturbó las operaciones telegráficas globales . Richard Carrington relacionó correctamente la tormenta con una llamarada solar que había observado el día anterior en las proximidades de un gran grupo de manchas solares, demostrando así que eventos solares específicos podían afectar a la Tierra.

Kristian Birkeland explicó la física de las auroras creando auroras artificiales en su laboratorio y predijo el viento solar .

Siglo XX

Observatorios

A principios del siglo XX, el interés por la astrofísica creció en Estados Unidos y se construyeron múltiples observatorios. [30] : 320  Se instalaron telescopios solares (y, por lo tanto, observatorios solares) en el Observatorio del Monte Wilson en California en 1904, [30] : 324  y en la década de 1930 en el Observatorio McMath-Hulbert . [31] El interés también creció en otras partes del mundo, con el establecimiento del Observatorio Solar Kodaikanal en la India a principios de siglo, [32] la Einsteinturm en Alemania en 1924, [33] y el Telescopio de Torre Solar en el Observatorio Nacional de Japón en 1930. [34]

Alrededor de 1900, los investigadores comenzaron a explorar las conexiones entre las variaciones solares y el clima de la Tierra. El Observatorio Astrofísico Smithsoniano (SAO) asignó a Abbot y su equipo la tarea de detectar cambios en la radiación del Sol. Comenzaron inventando instrumentos para medir la radiación solar. Más tarde, cuando Abbot era director del SAO, establecieron una estación solar en Calama, Chile, para complementar sus datos del Observatorio del Monte Wilson . Detectó 27 períodos armónicos dentro de los ciclos Hale de 273 meses , incluidos patrones de 7, 13 y 39 meses. Buscó conexiones con el clima por medios como la coincidencia de tendencias solares opuestas durante un mes con tendencias opuestas de temperatura y precipitación urbanas. Con el advenimiento de la dendrocronología , científicos como Glock intentaron conectar la variación en el crecimiento de los árboles con las variaciones solares periódicas e inferir la variabilidad secular a largo plazo en la constante solar a partir de variaciones similares en cronologías a escala milenaria. [35]

Coronógrafo

Hasta la década de 1930, se habían logrado pocos avances en la comprensión de la corona solar, ya que solo se podía ver durante los infrecuentes eclipses solares totales. La invención del coronógrafo por Bernard Lyot en 1931 (un telescopio con un accesorio para bloquear la luz directa del disco solar) permitió estudiar la corona a plena luz del día. [26]

Espectroheliógrafo

El astrónomo estadounidense George Ellery Hale , como estudiante de pregrado del MIT , inventó el espectroheliógrafo , con el que hizo el descubrimiento de los vórtices solares . En 1908, Hale utilizó un espectroheliógrafo modificado para demostrar que los espectros del hidrógeno exhibían el efecto Zeeman siempre que el área de visión pasaba sobre una mancha solar en el disco solar. Esta fue la primera indicación de que las manchas solares eran básicamente fenómenos magnéticos, que aparecían en pares de polaridades opuestas. [36] El trabajo posterior de Hale demostró una fuerte tendencia a la alineación este-oeste de las polaridades magnéticas en las manchas solares, con simetría especular a través del ecuador solar; y que la polaridad magnética de las manchas solares en cada hemisferio cambiaba de orientación de un ciclo solar al siguiente. [37] Esta propiedad sistemática de los campos magnéticos de las manchas solares ahora se conoce comúnmente como la ley de Hale-Nicholson , [38] o en muchos casos simplemente las leyes de Hale .

Explosiones de radio solares

La introducción de la radio reveló períodos de estática o ruido extremos. Las graves interferencias del radar durante un gran fenómeno solar en 1942 llevaron al descubrimiento de las ráfagas de radio solares.

Satélites

Muchos satélites en órbita terrestre o en la heliosfera han desplegado telescopios solares e instrumentos de varios tipos para mediciones in situ de partículas y campos. Skylab , una notable instalación de observación solar de gran tamaño, surgió del impulso de la campaña del Año Geofísico Internacional y las instalaciones de la NASA . Otras naves espaciales, en una lista incompleta, han incluido la serie OSO , la Solar Maximum Mission , Yohkoh , SOHO , ACE , TRACE y SDO , entre muchas otras; aún otras naves espaciales (como MESSENGER , Fermi y NuSTAR ) han contribuido con mediciones solares mediante instrumentos individuales.

La modulación de la radiación bolométrica solar por regiones magnéticamente activas y efectos más sutiles fue confirmada por mediciones satelitales de la irradiancia solar total (TSI) realizadas por el experimento ACRIM1 en la Misión Máximo Solar (lanzada en 1980). [39] Las modulaciones fueron confirmadas posteriormente en los resultados del experimento ERB lanzado en el satélite Nimbus 7 en 1978. [40] La observación satelital fue continuada por ACRIM-3 y otros satélites. [41]

Proxies de medición

Durante los últimos tres ciclos se han realizado mediciones directas de la irradiancia, que son el resultado de observaciones realizadas por múltiples satélites. [41] [42] Sin embargo, la correlación entre las mediciones de la irradiancia y otros indicadores indirectos de la actividad solar hacen que sea razonable estimar la actividad solar para ciclos anteriores. El más importante de estos indicadores indirectos es el registro de observaciones de manchas solares que se ha registrado desde ~1610. Las emisiones de radio solares en una longitud de onda de 10,7 cm proporcionan otro indicador indirecto que se puede medir desde el suelo, ya que la atmósfera es transparente a dicha radiación.

Se han utilizado otros datos indirectos, como la abundancia de isótopos cosmogénicos , para inferir la actividad magnética solar y, por tanto, el brillo probable, a lo largo de varios milenios.

Se ha afirmado que la irradiancia solar total varía de maneras que no se pueden predecir a partir de los cambios en las manchas solares o las emisiones de radio. Estos cambios pueden ser el resultado de una calibración satelital inexacta. [43] [44] Puede existir una tendencia a largo plazo en la irradiancia solar. [45]

Otros desarrollos

El Sol fue, hasta la década de 1990, la única estrella cuya superficie había sido resuelta. [46] Otros logros importantes incluyeron la comprensión de: [47]

  • Bucles emisores de rayos X
  • Corona y viento solar
  • Variación del brillo solar con el nivel de actividad y verificación de este efecto en otras estrellas de tipo solar
  • El intenso estado fibrilar de los campos magnéticos en la superficie visible de una estrella como el Sol.
  • La presencia de campos magnéticos de 0,5×10 5 a 1×10 5 gauss en la base de la zona conductora, presumiblemente en alguna forma de fibrilla, inferida a partir de la dinámica de los haces de flujo azimutal ascendente.
  • Emisión de neutrinos electrónicos de bajo nivel desde el núcleo del Sol. [47]

Siglo XXI

Predicción de la NASA para 2006. Se esperaba que en 2010/2011 el número de manchas solares alcanzara su máximo, pero en realidad en 2010 todavía estaba en su mínimo.

La llamarada más potente observada por los instrumentos satelitales comenzó el 4 de noviembre de 2003 a las 19:29 UTC y saturó los instrumentos durante 11 minutos. Se ha estimado que la región 486 produjo un flujo de rayos X de X28 . Las observaciones holográficas y visuales indican que continuó habiendo una actividad significativa en el lado oculto del Sol.

Las mediciones de manchas solares y de líneas espectrales infrarrojas realizadas en la última parte de la primera década de los años 2000 sugirieron que la actividad de las manchas solares podría estar desapareciendo nuevamente, lo que posiblemente conduciría a un nuevo mínimo. [48] De 2007 a 2009, los niveles de manchas solares estuvieron muy por debajo de la media. En 2008, el Sol estuvo libre de manchas el 73 por ciento del tiempo, un nivel extremo incluso para un mínimo solar. Sólo en 1913 fue más pronunciado, sin manchas solares durante el 85 por ciento de ese año. El Sol continuó languideciendo hasta mediados de diciembre de 2009, cuando apareció el grupo más grande de manchas solares que había surgido en varios años. Incluso entonces, los niveles de manchas solares se mantuvieron muy por debajo de los de los ciclos recientes. [49]

En 2006, la NASA predijo que el próximo máximo de manchas solares alcanzaría entre 150 y 200 alrededor del año 2011 (30-50% más fuerte que el ciclo 23), seguido por un máximo débil alrededor de 2022. [50] [51] En cambio, el ciclo de manchas solares en 2010 todavía estaba en su mínimo, cuando debería haber estado cerca de su máximo, lo que demuestra su inusual debilidad. [52]

El mínimo del ciclo 24 se produjo alrededor de diciembre de 2008 y se predijo que el próximo máximo alcanzaría un número de manchas solares de 90 alrededor de mayo de 2013. [53] El número medio mensual de manchas solares en el hemisferio solar norte alcanzó su punto máximo en noviembre de 2011, mientras que el hemisferio sur parece haber alcanzado su punto máximo en febrero de 2014, alcanzando una media mensual máxima de 102. Los meses posteriores disminuyeron a alrededor de 70 (junio de 2014). [54] En octubre de 2014, la mancha solar AR 12192 se convirtió en la más grande observada desde 1990. [55] La llamarada que surgió de esta mancha solar se clasificó como una tormenta solar de clase X3.1. [56]

Científicos independientes del Observatorio Solar Nacional (NSO) y del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea (AFRL) predijeron en 2011 que el Ciclo 25 se reduciría considerablemente o podría no ocurrir en absoluto. [57]

Referencias

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