Bajo un Sol abraZador La Tierra en el Viento Solar Jorge Zuluaga, Dr. Grupo de Física y Astrofísica Computacional Instituto de Física, U. de A. zuluagajorge@gmail.com - http://jzuluaga.blogspot.com

1. Campus Party Colombia
Corferias, Bogotá - Colombia – Junio 23 a 29 de 2008
Bajo un
Sol abraZador
La Tierra en el Viento Solar
Jorge Zuluaga, Dr.
Grupo de Física y Astrofísica Computacional
Instituto de Física U. de A.
Física, U A
zuluagajorge@gmail.com - http://jzuluaga.blogspot.com

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... abraZador ...
abrasador

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Contenido
Prólogo: el año heliofísico internacional
g
Introducción
Anatomía d
A t í de un gigante
i t
La heliosfera
La Tierra frente al Sol
Rayos y centellas: Sol y Clima
Meteorología espacial

4. Jorge Zuluaga – Bajo un Sol Abrazador - Campus Party Colombia – Corferias, Bogotá – Colombia – Junio 23 a 29 de 2008
El Año Heliofísico Internacional
• 2007-2009: Año Heliofísico Intenacional (AHI)
http://ihy2007.org
• El legado natural Año Geofísico (IGY57) y de los
( )
Años Polares Intenacionales (IPY83, IPY33)

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El Año Heliofísico Internacional
Objetivos primarios:
– Ad
Advancing our U d
i Understanding of th Heliophysical Processes that
t di f the H li h i l P th t
Govern the Sun, Earth and Heliosphere
– Continuing the tradition of international research and advancing the
legacy on the 50th anniversary of the International Geophysical Year
–DDemonstrating th Beauty, R l
t ti the B t Relevance and Significance of Space and
d Si ifi fS d
Earth Science to the World
Eventos relacionados:
– Año Polar Internacional IPY 2007-2009
http://www.ipy.org
– Año Internacional del Planeta Tierra IYPE
2007-2008
http://www.yearofplanetearth.org
– Año Geofísico Electrónico eGY 2007-2008
http://www.egy.org

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Introducción
• El Sol…
… Una gigantesca y “aparentemente”
estable fuente de energía
• 95% Energía solar que llega a la Tierra…
… Luz y “calor”
… el motor de prácticamente toda
la dinámica de la atmósfera y la biósfera
biósfera…
• 5% de energía solar llega en formas menos
g g
evidentes …
… ¿cuáles son sus efectos?

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Introducción
¿Qué tan bien conocemos a nuestra estrella “madre”?

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Anatomía de un Gigante
El Sol en pocas p
p palabras...
– Esfera de plasma con 200 veces el diametros de
la Tierra y ∼10 millones de veces su volumen
– Muy caliente: 15 millones ºC - 6,000 ºC
– Alimentado por reacciones de fusión nuclear …
… 300 000 b b H (1 Mt )/
300,000 bombas Mton)/segundo
d
Energía para alimentar a TODA la Tierra por 1 millón de
años
– Fuente de radiación electromagnética (luz y
calor), partículas de alta energía, campos
magnéticos,
magnéticos ...

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Anatomía de un Gigante
Anatomía solar:
– Núcleo: fuente de energía
– Manto: inestable hidrodinámicamente,
convección…
convección
…Origen de un poderoso campo magnético
– Superficie: Fotosféra, fuente de luz
Fotosféra luz…
… burbujeante e inestable magnéticamente
– Envoltura:
• Cromosféra: Enrarecida y caliente (<100,000 C)
• Corona: muy caliente (>1 MC)
y ( )

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Anatomía de un Gigante

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Anatomía de un Gigante
Fisiología solar:
– Dinámica Envoltura: dominada magnéticamente
– Fenómenos “atmosféricos”:
•MManchas solares: materia atrapada por “t b i ”
h l ti t d “tuberias”
magnéticas (4000 ºC, brillo luna llena)
• Fulguraciones (
g (flares): explosiones de energía
) p g
magnética sobre regiones de manchas…
… 1 millón de veces energía de terremoto!
• Prominencias: erupciones en corona de plasma
canalizadas por campos magnéticos
• Ejecciones de masa coronal (CME)…
… “eruptos” de plasma (1-10 mil M. de ton) lanzados
violentamente al medio inetrplanetario

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Anatomía de un Gigante

14. Jorge Zuluaga – Bajo un Sol Abrazador - Campus Party Colombia – Corferias, Bogotá – Colombia – Junio 23 a 29 de 2008
Anatomía de un Gigante
Manchas y granulación

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Anatomía de un Gigante
Fulguraciones

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Anatomía de un Gigante
Prominencias

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Anatomía de un Gigante
Eyecciones de masa coronal

18. Jorge Zuluaga – Bajo un Sol Abrazador - Campus Party Colombia – Corferias, Bogotá – Colombia – Junio 23 a 29 de 2008
Anatomía de un Gigante
El Sol tiene un humor variable...
El Ciclo Solar

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Anatomía de un Gigante

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Anatomía de un Gigante

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Anatomía de un Gigante

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La heliósfera
• Corona solar no esta en equilibrio...
... se expande y extiende de forma turbulenta
muchos más allá de las vecindades del Sol
• En realidad preacticamente todo el Sistema
Solar esta sumergido en ella...
... Un Sol AbraZador!
• A la suma de todo lo que hay en esa extendida
atmósfera solar...
... Partículas, campos magnéticos, radiación
HELIÓSFERA

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La heliósfera

24. Jorge Zuluaga – Bajo un Sol Abrazador - Campus Party Colombia – Corferias, Bogotá – Colombia – Junio 23 a 29 de 2008
La heliósfera
• La Heliósfera no es estática...
... Un flujo permanente de partículas y
campos magnéticos emana del Sol hacia la heliopausa
• El viento solar:
it l
– Partículas cargadas (protones, electrones), velocidades
medias (∼300 km/s = 1 millón km/h)
– Densidad menor que la del más perfecto vacío…
… en 1 cm3 de aire más partículas q en 1000 km3 de
p que
viento solar
– Viento solar transporta campo magnético solar más allá
de su atmósfera

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La heliósfera

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La Tierra frente al Sol
• La heliósfera llena el Sistema Solar e interactúa con
los cuerpos que lo constituyen...
... la Tierra misma esta sumergida
y es afectada por ella!
f td ll !
• La Tierra tiene 2 barreras o interfaces, que moderan
y modulan los efectos del Sol en el planeta:
La magnetósfera
La atmósfera

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La Tierra frente al Sol
La magnetósfera...
– Tierra rodeada de un campo magnético organizado,
aprox. dipolar, fuente en el núcleo del planeta
– Campo magnético organiza el flujo de partículas
cargadas alrededor del planeta...
... Partículas provenientes del p
p planeta y del Sol
– Campo magnético de la Tierra domina el flujo de
partículas hasta que los campos magnéticos
interplanetarios (IMF) se vuelven más i t
it l ti l á intensos
– Cavidad resultante: MAGNETÓSFERA
... Descubierta en 1958 por Explorer 1
1,
Producto también del IGY 1957

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La Tierra frente al Sol
Magnetocola
10 RT 200 RT
Cinturones de
Van Allen

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La Tierra frente al Sol
La atmósfera: la envoltura gaseosa de la Tierra…

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La Tierra frente al Sol
¿Qué sucede cuando los efectos de
la intensa actividad en la
atmósfera solar (viento solar,
erupciones de masa radiación)
masa,
interactúan con las interfaces de la
Tierra y el medio interplanetario?
Ti l di i t l t i?

31. Jorge Zuluaga – Bajo un Sol Abrazador - Campus Party Colombia – Corferias, Bogotá – Colombia – Junio 23 a 29 de 2008
Invitan a:
http://urania.udea.edu.co/cocoa2008
http://urania udea edu co/cocoa2008

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Rayos y Centellas
• La relación entre la actividad solar y el clima es
ampliamente reconocida...
li t id

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Rayos y Centellas

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Rayos y Centellas

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Rayos y Centellas

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Rayos y Centellas

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Rayos y Centellas

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Rayos y Centellas

39. Jorge Zuluaga – Bajo un Sol Abrazador - Campus Party Colombia – Corferias, Bogotá – Colombia – Junio 23 a 29 de 2008
Rayos y Centellas
¿Incluyen las simulaciones todo lo que deberían incluir?

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Rayos y Centellas
• Existen sin embargo efectos más directos del Sol sobre la
Tierra, d más i
Ti de á inmediato efecto...
di t f t
... PROBABLEMENTE peores para
nuestra sensible sociedad tecnológica
• Efecto mejor conocido…
… aurora boreal…
– Electrones desde los cinturones de radiación insertados en
atmósfera!
– Visibles en latitudes altas (no polos!)
Pero, que puede haber de malo en un poco de luces
“artificiales”…
1909: operadores de telegrafía descubren daños en equipo
por corrientes eléctricas inducidas por actividad auroral!

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Rayos y Centellas

42. Jorge Zuluaga – Bajo un Sol Abrazador - Campus Party Colombia – Corferias, Bogotá – Colombia – Junio 23 a 29 de 2008
Rayos y Centellas
• Aunque magnetosfera y atmósfera parecen proteger
Tierra…
… efectos secundarios y directos de interacción
magnetósfera viento solar y atmósfera radiación solar…
• Importantes efectos actividad humana! (y animal)
p )
• Condición y estado de los procesos de interacción Tierra
Tierra-
Medio interplanetario…
… Cli
Clima espacial (space weather)
i l( h)

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Rayos y Centellas
Literalmente…

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Rayos y Centellas

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Rayos y Centellas
EFECTOS EN EL ESPACIO
3 efectos principales:
p p
– Exposición astronautas radiación ionizante
– Decaimiento inducido de orbitas satelitales
– Alteración o destrucción de electrónica sensible
en plataformas espaciales

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Rayos y Centellas
Exposición a Radiación Ionizante
– En alta atmósfera y espacio: fuera de envoltura
protectora
– Fulguraciones solares: emisión de radiación
energética y partículas de alta energía …
… exposición en el espacio a estas radiaciones
incrementa riesgos de Cancer o pueden
producir muerte
prod cir la m erte
– Durante evento clima espacial flujo se
incrementa en factores de 10 000!
10,000!

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Rayos y Centellas

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Rayos y Centellas
Decaimiento órbitas satélites…
– Absorción de radiación en ionósfera…
… Incrementa temperatura e
induce expansión de atmósfera
– Fuerzas de arrastre en satélites aumenta con
eventos intensos del clima espacial
– Implica correcciones costosas de órbitas y hasta
p
la caída de plataformas (Skylab, ‘79)

49. Jorge Zuluaga – Bajo un Sol Abrazador - Campus Party Colombia – Corferias, Bogotá – Colombia – Junio 23 a 29 de 2008
Rayos y Centellas
Destrucción electrónica
– Partículas de alta energía que penetran
electrónica de satélites…
… destruyen o alteran
elementos electrónicos (Ej. Memorias)
… inducen cargas electricas diferenciales y
descargas que destruyen elementos
– 1995: Satélite de $5M destruído después de
explosión solar

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Rayos y Centellas
EFECTOS EN LA SUPERFICIE
Eventos más importantes y dañinos...
Tormentas Geomagnéticas:
– Intensificación de viento solar por CME…
…i t
intensa alteración d magnetosfera
lt ió de tf
(magnetopausa se reduce a la mitad)…
– Campos magnéticos variables ind cen
ariables inducen
corrientes eléctricas parasitas en atmósfera y en
la Tierra

51. Jorge Zuluaga – Bajo un Sol Abrazador - Campus Party Colombia – Corferias, Bogotá – Colombia – Junio 23 a 29 de 2008
Rayos y Centellas
4 sistemas particularmente sensibles:
– Comunicaciones (navegación,
comunicaciones intercontinentales,
GNSS, etc.)
– Redes de distribución eléctricas
– Sistemas biológicos dependientes de
geomagnetismo
– Tuberías de gran escala

52. Jorge Zuluaga – Bajo un Sol Abrazador - Campus Party Colombia – Corferias, Bogotá – Colombia – Junio 23 a 29 de 2008
Rayos y Centellas
Comunicaciones
– Muchos sistemas humanos dependen de
comunicaciones con ondas EM
– Tormentas Geomagnéticas tienen 2 efectos
principales en sistemas de comunicaciones:
• Interferencia directa radioemisión solar y campos EM
de tormenta geomagnética
• Alteración propiedades EM ionosfera

53. Jorge Zuluaga – Bajo un Sol Abrazador - Campus Party Colombia – Corferias, Bogotá – Colombia – Junio 23 a 29 de 2008
Rayos y Centellas
– Sol es poderosa fuente de radio-ondas…
• Radio-emision se incrementa durante eventos
intensos
• Sistemas de comunicaciones que dependen de esas
radioondas reciben interferencia que los hace
inoperativos
• Importante efecto: comunicaciones en sistemas de
navegación!
– M h sistemas d comunicación requieren
Muchos i t de i ió i
propiedades particulares ionosfera…
• Comunicaciones intercontinentales: reflexión de radio
ondas en ionosfera

54. Jorge Zuluaga – Bajo un Sol Abrazador - Campus Party Colombia – Corferias, Bogotá – Colombia – Junio 23 a 29 de 2008
Rayos y Centellas
• Durante eventos de clima espacial Frecuencia
Maxima Usable (MUF) cambia!
cambia!…
… señales que dependen de reflexión se ven afectados
(estaciones de radio, sistemas de radar de largo
alcance, etc.)
l t)
• Señales de GNSS (GPS, GLONASS, Galileo) en
ionosfera se refractan…
… su trayectoria no es rectilinea lo que debe corregirse
para calcular posición usando sistema
• Durante eventos de clima espacial índice de
refracción de ionosfera se modifica obligando
correciones mayores (o falla) de posicionamiento!

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56. Jorge Zuluaga – Bajo un Sol Abrazador - Campus Party Colombia – Corferias, Bogotá – Colombia – Junio 23 a 29 de 2008
Rayos y Centellas
Redes de distribución eléctricas:
– En tormentas geomagnéticas corrientes
eléctricas inducidas en conductores…
… Geomagnetic Induced Currents (GIC)
– En sistemas de distribución de energía
eléctrica…
… particularmente sensibles a GICs:
transformadores que sufren daños temporales o
permanentes
–MMarzo 1989: A
1989 Apagon d 9 h
de horas en Q b
Quebec
afectando 9 millones de personas!

57. Jorge Zuluaga – Bajo un Sol Abrazador - Campus Party Colombia – Corferias, Bogotá – Colombia – Junio 23 a 29 de 2008
Rayos y Centellas
– Perdidas por tormentas geomagnéticas…
… $100s M/año en paises desarrollados
Tuberías:
– Largas tuberías hechas de conductores pueden
verse afectadas por GICs
– GICs alteran sensores instaladas a lo largo de
tuberías produciendo lecturas erradas del flujo
– GICs favorecen deterioro de la tuberia al
incrementar el ritmo de corrosión

58. Jorge Zuluaga – Bajo un Sol Abrazador - Campus Party Colombia – Corferias, Bogotá – Colombia – Junio 23 a 29 de 2008
Rayos y Centellas
Sistemas biológicos:
– Algunas aves y abejas dependen de
geomagnetismo para orientación
– Ha sido demostrado que palomas pierden 20%
de precisión en orientación durante eventos de
clima espacial
li il
– Otros estudios han probado efectos sobre
abejas

59. Jorge Zuluaga – Bajo un Sol Abrazador - Campus Party Colombia – Corferias, Bogotá – Colombia – Junio 23 a 29 de 2008
Climatología Espacial
Podemos evitar o prepararnos p
pp para los efectos
dañinos de clima espacial?
SI!
Monitoreo permanente del Sol y actividad
solar es realizado por varias plataformas en
el espacio y en Tierra…
… “constelación” GOES Yohkoh, TRACE (Transition
constelación GOES, Yohkoh
Region and Coronal Explorer), SOHO (Solar and
Heliospheric Observatory), ACE (Advanced
Composition Explorer)

60. Jorge Zuluaga – Bajo un Sol Abrazador - Campus Party Colombia – Corferias, Bogotá – Colombia – Junio 23 a 29 de 2008
Climatología Espacial
Escalas de tiempo de efectos Sol-Tierra
– Radiación electromagnética: 8 minutos
… ionosfera, comunicaciones, radio interferencia
– Partíclas: 20 minutos
… exposición p g
p peligrosa en el espacio
p
– Materia producida por CME: 30 a 72 horas
… tormentas geomagnéticas

61. Jorge Zuluaga – Bajo un Sol Abrazador - Campus Party Colombia – Corferias, Bogotá – Colombia – Junio 23 a 29 de 2008
Climatología Espacial
Particularmente importante:
– Estudio de correlación entre eventos atmósfera
solar y eventos clima espacial
– Seguimiento de evolución actividad solar
Estudio estadístico de correlación permite crear
predictores…
… indicadores que permiten predecir aparición de efectos a
corto (horas) o mediano plazo (semanas)

62. Jorge Zuluaga – Bajo un Sol Abrazador - Campus Party Colombia – Corferias, Bogotá – Colombia – Junio 23 a 29 de 2008

63. Jorge Zuluaga – Bajo un Sol Abrazador - Campus Party Colombia – Corferias, Bogotá – Colombia – Junio 23 a 29 de 2008
Climatología Espacial
Centraliza operaciones de monitoreo...
SEC: Space Weather Operations
http://www.sec.noaa.gov
g
– Información en tiempo real de clima espacial
(p
(http://www.sec.noaa.gov/SWN)
g )
– Generación de alertas de clima espacial
http://www.sec.noaa.gov/Data/info/
WWWdoc.html

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65. Jorge Zuluaga – Bajo un Sol Abrazador - Campus Party Colombia – Corferias, Bogotá – Colombia – Junio 23 a 29 de 2008
Climatología Espacial
– Clasificación de eventos:
• Tormentas Geomagnéticas
• Tormentas de Radiación Solar
• “Apagones” de radio (Radio Blockout)
– D t d cada evento existen una serie d
Dentro de d t it i de
categorías bien definidas que permiten
identificar los efectos del evento

66. Jorge Zuluaga – Bajo un Sol Abrazador - Campus Party Colombia – Corferias, Bogotá – Colombia – Junio 23 a 29 de 2008
Gracias!
G i!
Esta conferencia puede ser descargada de:
http://urania.udea.edu.co/facom

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Lecturas Recomendadas
Sitios en internet:
– http://www.sec.noaa.gov
– http://helios.gsfc.nasa.gov/
– http://www.windows.ucar.edu/spaceweather/
basic_facts.html
– http://www sec noaa gov/Curric 7-12/index html
http://www.sec.noaa.gov/Curric_7 12/index.html
– http://solar.physics.montana.edu/ypop/Nuggets
– http://snr.unl.edu/metr351-03/twittman/impacts.html
p p
– http://snr.unl.edu/metr351-03/twittman/warmornot.html
– http://www2.metoffice.gov.uk/faqs/2.html

68. Jorge Zuluaga – Bajo un Sol Abrazador - Campus Party Colombia – Corferias, Bogotá – Colombia – Junio 23 a 29 de 2008
Lecturas Recomendadas
Lecturas:
– El Sol y el Cambio Climático: ¿es
incontrovertible la idea de un calentamiento
global antropogénico?. Jorge Zuluaga.
Innovación y Ciencia, Vol. XIV, No. 4, 2008.
[Referencias incluidas en él]
[R f i i l id
– The Sun’s Role in Climate Variations. D. Rind.
Science, Vol. 296, Pag. 605.
Science Vol 296 Pag 605
– La Historia del Sol y el Cambio Climático.
Manuel Vasquez Mc Graw-Hill (1998)
Vasquez, Mc. Graw Hill