Sol

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Introducción

Sol, la estrella que, por el efecto gravitacional de su masa, domina el sistema planetario que incluye a la Tierra. Mediante la radiación de su energía electromagnética, aporta directa o indirectamente toda la energía que mantiene la vida en la Tierra, porque todo el alimento y el combustible procede en última instancia de las plantas que utilizan la energía de la luz del Sol. Ver Fotosíntesis; Energía solar.

A causa de su proximidad a la Tierra y como es una estrella típica, el Sol es un recurso extraordinario para el estudio de los fenómenos estelares. No se ha estudiado ninguna otra estrella con tanto detalle. La estrella más cercana al Sol está a 4,3 años luz (4 × 10¹³ km); para observar los rasgos de su superficie comparables a los que se pueden ver de forma habitual en el Sol, se necesitaría un telescopio de casi 30 km de diámetro. Además, un telescopio así tendría que ser colocado en el espacio para evitar distorsiones causadas por la atmósfera de la Tierra.

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Historia de la observación científica

Durante la mayor parte del tiempo que los seres humanos han estado sobre la Tierra, el Sol ha sido considerado un objeto de especial importancia. Muchas culturas antiguas adoraron al Sol y muchas más reconocieron su importancia en el ciclo de la vida. Aparte de su relevancia posicional para señalar, por ejemplo, solsticios, equinoccios y eclipses (véase Arqueoastronomía), el estudio cuantitativo del Sol data del descubrimiento de las manchas solares; el estudio de sus propiedades físicas no comenzó hasta mucho más tarde.

Los astrónomos chinos observaron manchas solares a simple vista ya en el año 200 a.C. Pero en 1611, Galileo utilizó el telescopio, recién inventado, para observarlas de modo sistemático. El descubrimiento de Galileo significó el comienzo de una nueva aproximación al estudio del Sol, que pasó a ser considerado un cuerpo dinámico, en evolución, y sus propiedades y variaciones pudieron ser, por tanto, comprendidas científicamente.

El siguiente avance importante en el estudio del Sol se produjo en 1814 como resultado directo del invento del espectroscopio por el físico alemán Joseph von Fraunhofer (véase Espectroscopia). Un espectroscopio divide la luz en las longitudes de onda que la componen, o colores. Aunque el espectro del Sol había sido observado ya en 1666 por el matemático y científico inglés Isaac Newton, la precisión del trabajo de Fraunhofer sentó las bases para los primeros intentos de una explicación teórica detallada de la atmósfera solar.

Parte de la radiación de la superficie visible del Sol (la fotosfera) es absorbida por el gas, algo más frío, que hay sobre ella. Sin embargo, sólo se absorben longitudes de onda de radiación particulares, que dependen de las especies atómicas presentes en la atmósfera solar. En 1859, el físico alemán Gustav Kirchhoff demostró que la falta de radiación en ciertas longitudes de onda del espectro solar de Fraunhofer se debía a la absorción de radiación por átomos de algunos de los mismos elementos presentes en la Tierra. Con esto, no sólo demostró que el Sol está compuesto de materia común, sino que también planteó la posibilidad de obtener información detallada sobre los objetos celestes mediante el estudio de la luz emitida por ellos. Éste fue el comienzo de la astrofísica.

El progreso en el conocimiento del Sol ha continuado gracias a la habilidad de los científicos para hacer observaciones nuevas o mejorar las anteriores. Entre los avances en instrumentos de observación que han influido de forma significativa en la física solar están el espectroheliógrafo, que mide el espectro de los rasgos solares individuales; el coronógrafo, que permite el estudio de la corona solar sin eclipses, y el magnetógrafo, inventado por el astrónomo estadounidense Horace W. Babcock en 1948, que mide la fuerza del campo magnético de la superficie solar. El desarrollo de cohetes y satélites ha permitido a los científicos observar la radiación en longitudes de onda no transmitidas a través de la atmósfera de la Tierra. Entre los instrumentos desarrollados para su uso en el espacio se encuentran los coronógrafos, los telescopios y los espectrógrafos sensibles a una radiación ultravioleta extrema y a los rayos X. Los instrumentos especiales han revolucionado el estudio de la atmósfera exterior al Sol. Ver Astronáutica.

En agosto de 2001 la NASA lanzó la sonda científica Genesis, rumbo a un lugar entre el Sol y la Tierra, en una región donde se equilibran las fuerzas gravitatorias de ambos cuerpos celestes. Era la primera misión espacial destinada a recuperar materia de más allá de la órbita de la Luna; la toma de muestras comenzó en diciembre de 2001, cuando se abrieron los colectores de la sonda. Tras un viaje de más de tres años, su regreso a la Tierra estaba previsto de forma que la cápsula que contenía las muestras fuera rescatada en el aire, antes de alcanzar la superficie terrestre, para evitar su posible rotura y consiguiente contaminación. Pero el 8 de septiembre de 2004 el sistema de paracaídas de la Genesis falló y la cápsula se estrelló en un desierto del estado de Utah, en Estados Unidos. A pesar de ello, tras los trabajos destinados a la recuperación de los restos de la cápsula y las muestras de su interior, se cree que será posible cumplir buena parte de los objetivos científicos fijados inicialmente para esta misión. A mediados de octubre de 2004 la comisión de investigación determinó como error más probable del accidente, un fallo en el diseño de uno de los sensores de deceleración de la cápsula, lo que habría impedido que se pusiera en marcha el sistema de apertura de los paracaídas.

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Composición y estructura

La cantidad total de energía emitida por el Sol en forma de radiación es bastante constante, y no varía más que unas pocas décimas de un 1% en varios días. Esta energía se genera en las profundidades del Sol. Al igual que la mayoría de las estrellas, el Sol se compone sobre todo de hidrógeno (71%); también contiene helio (27%) y otros elementos más pesados (2%). Cerca del centro del Sol, la temperatura es de casi 16.000.000 K y la densidad es 150 veces la del agua. Bajo estas condiciones, los núcleos de los átomos de hidrógeno individuales actúan entre sí, experimentando la fusión nuclear (véase Energía nuclear). El resultado neto de estos procesos es que cuatro núcleos de hidrógeno se combinan para formar un núcleo de helio, y la energía surge en forma de radiaciones gamma. Una enorme cantidad de núcleos reacciona cada segundo, generando una energía equivalente a la que se produciría por la explosión de 100.000 millones de bombas de hidrógeno de un megatón por segundo. La ‘combustión’ nuclear del hidrógeno en el centro del Sol se extiende a un 25% del radio solar.

La energía producida de esta forma es transportada a la mayor parte de la superficie solar por radiación. Sin embargo, más cerca de la superficie, en la zona de convección que ocupa el último tercio del radio solar, la energía es transportada por la mezcla turbulenta de gases. La fotosfera es la superficie superior de la zona de convección. Se pueden ver pruebas de la turbulencia en la zona de convección observando la fotosfera y la atmósfera situada encima de ella.

Las células turbulentas de la fotosfera le confieren una apariencia irregular y heterogénea. Este modelo, conocido como granulación solar, lo provoca la turbulencia en los niveles más altos de la zona de convección. Cada gránulo mide unos 2.000 km de ancho. Aunque el modelo de granulación siempre está presente, los gránulos individuales solamente duran unos 10 minutos. También se presenta un modelo de convección mucho mayor, provocado por la turbulencia que se extiende en las profundidades de la zona de convección. Este modelo de sobregranulación contiene células que duran un día y tienen 30.000 km de ancho como media.

3.1

Manchas solares

George Ellery Hale descubrió en 1908 que las manchas solares (áreas más frías de la fotosfera) presentan campos magnéticos fuertes. Una mancha solar común tiene una densidad de flujo magnético de 0,25 teslas. En comparación, el campo magnético de la Tierra tiene una densidad de flujo de menos de 0,0001 teslas. Las manchas solares se suelen dar en parejas, con las dos manchas con campos magnéticos que señalan sentidos opuestos. El ciclo de las manchas solares, en el que la cantidad de manchas solares varía de menos a más y vuelve a disminuir al cabo de unos 11 años, se conoce por lo menos desde principios del siglo XVIII. Sin embargo, el complejo modelo magnético asociado con el ciclo solar sólo se comprobó tras el descubrimiento del campo magnético del Sol.

De las parejas de manchas solares del hemisferio norte, la mancha que guía a su compañera en la dirección de rotación tiene un campo magnético en sentido opuesto al de la mancha solar dominante del hemisferio sur. Cuando comienza un nuevo ciclo de 11 años, se invierte el sentido del campo magnético de las manchas solares dominantes de cada hemisferio. Así pues, el ciclo solar completo incluyendo la polaridad del campo magnético, dura unos 22 años. Además, las manchas solares se suelen dar en la misma latitud en cada hemisferio. Esta latitud varía de los 45 a los 5° durante el ciclo de las manchas solares.

Como cada mancha solar dura como mucho unos pocos meses, el ciclo solar de 22 años refleja los procesos asentados y de larga duración en el Sol y no las propiedades de las manchas solares individuales. Aunque no se comprenden del todo, los fenómenos del ciclo solar parecen ser el resultado de las interacciones del campo magnético del Sol con la zona de convección en las capas exteriores. Además, estas interacciones se ven afectadas por la rotación del Sol, que no es la misma en todas las latitudes. El Sol gira una vez cada 27 días cerca del ecuador, pero una vez cada 31 días más cerca de los polos.

En noviembre de 2002, el Telescopio Solar Sueco, instalado en el Observatorio del Roque de los Muchachos (Islas Canarias) y operado por el Instituto de Física Solar de la Real Academia de Ciencias de Suecia, obtuvo imágenes muy precisas del Sol que revelaron nuevos detalles de las manchas solares. Las imágenes permitieron descubrir la estructura de la parte externa de las manchas: un núcleo oscuro rodeado de una región filamentosa.