El viento solar es gas ionizado que es emitido constantemente por el Sol y se propaga hacia el espacio interplanetario a velocidades de entre 300 y 800 km/s. Todos los cuerpos celestes del Sistema Solar están inmersos en él. El gas en el espacio interestelar es lo único que finalmente detiene su expansión. El viento solar construye una especie de cavidad alrededor del Sol, a la que llamamos la heliosfera. Fuera de ella comienza el espacio interestelar, al que hasta ahora solo han entrado dos objetos hechos por los humanos, los satélites Voyager 1 y 2. El viento solar es también el medio por el que el Sol se comunica con la Tierra y puede provocar perturbaciones en su campo magnético lo que genera una serie de eventos conocidos bajo el nombre común el clima espacial. El descubrimiento del viento solar fue un proceso extremadamente interesante, ya que se basó en la observación de tres fenómenos naturales muy diferentes: el campo magnético de la Tierra, las auroras y la actividad del Sol. La conexión entre estos tres fenómenos fue establecida por astrónomos y geofísicos en el siglo 19 y la primera mitad del siglo 20.
El camino hacia el descubrimiento del viento solar fue largo. Un fenómeno que hoy sabemos que está asociado con él son las luces polares, también conocidas como auroras. El primero en especular sobre su origen fue Aristóteles (384-322 aC), quien pensaba que se trataba de llamas que ardían en el cielo. René Descartes (1596-1650) propuso que las auroras ocurren debido a la luz del Sol o la Luna que se refleja en los cristales de hielo en la atmósfera. Pierre Gassendi (1592-1655) ya sabía que la misma aurora boreal se puede observar desde diferentes lugares muy distantes de la Tierra, lo que significa que estos fenómenos ocurren muy alto en la atmósfera terrestre. Mucho más tarde, el astrónomo francés Jean-Jacques d’Ortous de Mairan (1678-1771), quien midió la altura de la aurora boreal en 1726, llegó a una conclusión similar. En 1790, Henry Cavendish (1731-1810) estimó esta altura en entre 80 y 120 km, y más tarde el científico noruego Carl Størmer (1874-1957), uno de los primeros en utilizar la fotografía en su trabajo, realizó mediciones más precisas. Con el paso del tiempo, los descubrimientos siguieron llegando cada vez más rápido. El capitán James Cook (1728-1779) fue el primero en reportar las auroras australes en el hemisferio sur en 1773. El capitán John Franklin (1786-1847) descubrió que el número de auroras disminuye cerca de los polos magnéticos de la Tierra, lo que significa que estos fenómenos ocurren principalmente en un cierto rango de latitudes geográficas. Más tarde supimos que la aparición de las aurora se limita a los llamados óvalos aurorales que rodean los polos magnéticos y se encuentran en lo alto de la atmósfera.
Figura 1: Manchas solares en el Sol el 1 de septiembre de 1859. Autor: Richard Carrington.
El siguiente fenómeno importante es el campo magnético de la Tierra, o campo geomagnético. Los antiguos Chinos fueron los primeros en utilizar este campo para la navegación, según el enciclopedista chino Shen Kua (1031-1095). El primer Europeo que escribió sobre la brújula fue Alexander Neckham de St. Albans (1157-1217) en 1187. En 1576, Robert Norman descubrió que el campo geomagnético tiene una componente vertical. Más tarde, William Gilbert (1544?-1603) ya estaba haciendo experimentos con un modelo de la Tierra, al que llamó Terella, demostrando que la Tierra se comporta como un imán gigante. En 1722, George Graham (1674?–1751) fabricó la primera brújula de alta sensibilidad y descubrió que el campo geomagnético no es constante, sino que su magnitud y dirección fluctuan en diferentes escalas de tiempo.
El primero en sugerir que podría haber una conexión entre la auroras y el campo geomagnético fue el astrónomo inglés Edmund Halley (1656-1742), quien observó una aurora sobre Londres el 16 de marzo de 1716 y descubrió que los haces que la componían, convergían en la dirección hacia la Tierra, al igual que las líneas del campo geomagnético. Esto fue confirmado en 1770 por el científico sueco Johann Wilke.
En 1722, George Graham observó las oscilaciones de la aguja de la brújula, que luego encontró relacionadas con la aurora boreal reportada en 1747 por Andrés Celsius (1701-1744), más conocido por el público en general por la escala de temperatura, y su estudiante Olaf Hiorter. Celsius y Graham descubrieron que los días en los que había actividad geomagnética (el nombre dado a las fluctuaciones magnéticas) en Londres también eran días en los que se observaban fluctuaciones similares en Uppsala. Esto significa que la actividad geomagnética estuvo presente simultáneamente en áreas muy distantes de la Tierra.
Figura 2: Aurora boreal. Fuente: NASA.
Esto nos lleva al último fenómeno: la actividad del Sol, cuyo indicador más antiguo son las manchas solares que aparecen en su superficie. Estas fueron descubiertas por Galileo Galilei (1564-1642), quien fue el primero en observarlas con un telescopio. Galileo observó que la posición de las manchas solares cambia ligeramente todos los días, lo que correctamente atribuyó a la rotación de nuestra estrella. Las primeras observaciones más sistemáticas de las manchas solares se realizaron en el Observatorio de Zúrich, Suiza. Más tarde, Samuel Heinrich Schwabe (1789–1875) se basó en estos datos cuando en 1844 descubrió el ciclo de la actividad solar de 11 años. Sin embargo, la verdadera naturaleza de las manchas solares siguió siendo un misterio.
A mediados del siglo 19, Edward Sabine (1788-1883) y Rudolf Wolf (1816-1893) publicaron de forma independiente los resultados de sus estudios, que demostraron inequívocamente la correlación entre las manchas solares y la actividad geomagnética. Sabine era una oficial militar a cargo de los observatorios británicos en todo el mundo, que monitoreaban regularmente el campo geomagnético, ya que era vital para la navegación. Wolf, por otro lado, era el director del Observatorio de Zúrich, lo que le dio acceso a la serie más larga de datos sobre la aparición de manchas solares. Inmediatamente surgió la pregunta sobre como es posible que exista una relación entre las manchas solares y el campo geomagnético.
El astrónomo británico Richard Carrington (1826-1875) fue el primero en sospechar que existe una conexión entre los eventos en el Sol y los fenómenos de la Tierra. Entre otras cosas, Carrington observaba sistemáticamente las manchas solares cuando, el 1 de septiembre de 1859, notó que el área del Sol cerca de un grupo de manchas comenzó a brillar con mucha más intensidad que el resto de la superficie solar. Menos de veinticuatro horas después ocurrió la tormenta geomagnética más intensa jamás registrada, que produjo una aurora boreal muy intensa que se ha observado hasta en Hawái y Cuba. De las Montañas Rocosas de América del Norte llegaban informes de que durante esos días el cielo nocturno brillaba tanto que era posible leer libros sin ayuda de luz artificial. En su informe a la Royal Society, Carrington planteó la posibilidad de que ambos fenómenos, el abrillantamiento en el Sol y las auroras, estuvieran relacionados; sin embargo, no pudo convencer a la comunidad científica de la época. Esto se debía a que en 1859 los científicos estaban convencidos de que había un vacío total en el espacio entre los planetas, por lo que se desconocía cualquier mecanismo a través del que los fenómenos en el Sol podrían afectar a la Tierra.
Además, en 1836, Lord Kelvin (1824-1907), un físico muy influyente en el siglo 19, expresó una opinión muy fuerte de que no podía haber conexión entre la actividad geomagnética y las manchas solares, ya que, según sus cálculos, era prácticamente imposible que el campo magnético solar influyera en el de la Tierra, dada la enorme distancia que separa a ambos cuerpos.
Aún así, varios científicos han sugerido que algún tipo de sustancia podría atravesar el espacio que separa los dos astros. En 1869, Norman Lockyer (1836-1920) inventó el llamado espectrógrafo solar, con el que observó enormes estructuras en el Sol, que hoy en día llamamos protuberancias. Al año siguiente, Charles Young (1834–1908) fue el primero en fotografiar este fenómeno. Además, durante los eclipses solares Young observó la capa de la atmósfera del Sol, que ahora llamamos la corona, y demostró que esta se extiende muy lejos de la superficie solar y que el gas que contiene podría escapar al espacio interplanetario.
En 1878, el premio Nobel Henri Becquerel (1852-1908) propuso que algo (campos magnéticos u otra cosa) podrían estar expulsando grandes cantidades de materia del Sol y que este material podría ocasionalmente alcanzar la Tierra. En los años 80 del siglo 19, William Crookes (1832-1919) descubrió la llamada radiación de partículas, lo que provocó que muchos científicos, entre ellos el matemático irlandés FitzGerald, el científico inglés Sir Oliver Lodge (1851-1940) y el físico noruego Kristian Birkeland (1867-1917), a principios del siglo 20 propusieron que esta podría ser la causante tanto de la actividad geomagnética como de las auroras boreales. Joseph John Thomson (1856-1940) descubrió en 1897 que radiación de partículas está formada por electrones, por lo que recibió el Premio Nobel.
En 1901, después de que el inventor italiano Guglielmo Marconi (1874-1937) exitosamente envió el primer mensaje de radio a través del atlántico, con lo que él también ganó el Premio Nobel, los físicos inglés Oliver Heaviside (1850-1925) e irlandés Arthur Kennelly (1861-1939) propusieron la existencia de una capa ionizada en la atmósfera alta que refleja las ondas de radio de Marconi. Esto era consistente con la noción de la época de que en la atmósfera superior existían las corrientes eléctricas asociadas con las auroras. El físico inglés Edward Appleton (1892-1965) demostró definitivamente la existencia de esta capa, que hoy en día llamamos la ionosfera.
Poco después del descubrimiento de la ionosfera, los geofísicos Sydney Chapman (1888-1970) y Vincenzo Ferraro publicaron un artículo científico en el que proponían que el flujo de partículas del Sol podría causar las perturbaciones del campo geomagnético más fuertes de la Tierra, las llamadas tormentas geomagnéticas. Veinte años más tarde, el astrónomo alemán Ludwig Biermann (1907-1986) notó que las colas gaseosas de los cometas siempre apuntan en una dirección opuesta al Sol, independientemente de la posición de los cometas en su órbita. Biermann propuso que esta es la consecuencia del gas que fluye continuamente del Sol hacia el espacio interplanetario, empujando la cola gaseosa de los cometas en la dirección de su viaje. En los años cincuenta del siglo 20, Eugene Parker (1927-2022) hizo un modelo matemático del viento solar, que se expande continuamente hacia del Sola hacia afuera. Cuando Parker envió el manuscrito para su publicación en la prestigiosa revista científica The Astrophysical Journal, los dos árbitros encargados de revisarlo recomendaron rechazarlo, ya que los argumentos de Parker no los convencieron. Afortunadamente, el editor de la revista en aquel tiempo era Subrahmanyan Chandrasekhar (1910-1995), más tarde premio Nobel de física, quien reconoció el potencial real del artículo de Chapman y decidió publicarlo.
Figura 3: La sonda Mariner. Fuente: NASA/JPL.
La confirmación experimental de la existencia del viento solar se produjo en 1959, durante la era espacial. Las primeras mediciones de la densidad del viento solar se realizaron en 1959 con la sonda soviética Luna 1. En 1962 la misión Estadounidense Mariner midió su dirección de propagación. Esto confirmó de manera inequívoca la existencia del viento solar y este descubrimiento resultó en el rápido desarrollo la disciplina científica que se conoce como física espacial.
Lecturas adicionales para los más curiosos
- Mark Moldwin, 2008, An Introduction to Space Weather, Cambridge University Press, www.cambridge.org/9780521861496
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