Cómo están abordando los científicos la complicada tarea de predecir el ciclo solar | Revista Quanta

El sol parece inmutable, una aburrida bombilla celestial que siempre está encendida. Pero esta bola de plasma impulsada por fusión está en constante cambio. Aproximadamente cada 11 años, oscila entre el sueño y una actividad activa., Época rebelde marcada por manchas solares y erupciones solares, como llamaradas y explosiones de plasma.

El sol se está acercando a su nivel máximo de actividad en el ciclo actual y no se está comportando exactamente según lo planeado. Los científicos habían predicho que este ciclo sería débil, como el anterior, pero el sol está exhibiendo un nivel de actividad no visto en más de 20 años. En junio y julio de este año, según datos de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA), promedió aproximadamente 160 manchas solares diariamente, más del doble de lo previsto. Las erupciones solares también están aumentando.

La discrepancia entre predicción y observación fue evidente ya en julio de 2022, cuando nicola zorro — entonces director de la división de heliofísica de la NASA — escribió en el sitio web de la NASA que "el Sol ha estado mucho más activo en este ciclo de lo previsto".

Una predicción fiable del ciclo solar es ahora más importante que nunca debido a nuestra creciente dependencia de tecnología vulnerable. La atmósfera de la Tierra se hincha con la actividad solar y aumenta la resistencia sobre los (muchísimos) satélites que necesitan maniobrar en órbita. Los estallidos solares pueden quemar equipos electrónicos, interferir señales de radio, confundir los sistemas GPS e interrumpir las redes eléctricas.

Como ocurre con la mayoría de los pronósticos, los desafíos de predecir el ciclo solar son numerosos. No sigue un patrón claro de un ciclo al siguiente (algunos son más cortos que otros) y la física solar es todavía una disciplina relativamente joven. "Nos gusta decir que estamos unos 60 años por detrás de los meteorólogos", dijo Robert Leamón, físico solar de la Universidad de Maryland.

Históricamente, los investigadores buscaban correlaciones estadísticas entre la actividad solar y el número de manchas solares, su superficie total y el momento de su aparición. Pero el consenso científico es que esas técnicas, incluso aunque estén modernizadas, no revelan mucho sobre el comportamiento futuro del sol. Ahora, impulsados ​​por observaciones solares más sofisticadas, los científicos están evaluando y perfeccionando métodos que utilizan el funcionamiento interno del sol como guía.

Si bien el progreso es lento (11 años es mucho tiempo), echemos un vistazo más de cerca al estado actual de la predicción del sistema solar. 

Persiguiendo manchas solares

Los científicos, sin darse cuenta, comenzaron a rastrear el ciclo solar hace más de 400 años, cuando Galileo observó por primera vez manchas solares que salpicaban la cara del sol. Ahora está claro que estas manchas oscuras son abundantes durante el máximo solar y en su mayoría ausentes durante el mínimo solar. Hoy en día, mientras los científicos continúan mejorando su comprensión de la física que impulsa esa oscilación, las manchas solares todavía sirven como sustitutos de la actividad del sol.

En 1989, la NASA y la NOAA comenzaron a pedir a los paneles de predicción del ciclo solar que pronosticaran la intensidad y el momento del próximo ciclo solar. Para ello, los expertos del panel evalúan las predicciones hechas por otros investigadores en el campo. Estas predicciones suelen utilizar un valor llamado R - el promedio de 13 meses del número de manchas solares (suavizado o ponderado durante el mes actual más seis meses en cada lado) - como indicador de la actividad del sol.

Magnífico R porque el próximo máximo se considera el pináculo de la predicción del ciclo solar.

Sin embargo, los paneles no tienen un gran historial. en 2006, el panel de predicción del Ciclo 24 inició sus deliberaciones; en definitiva, el equipo no pude llegar a un consenso y predijo, inútilmente, que el Ciclo 24 iba a ser muy débil o muy fuerte. (Resultó ser débil). “Estaban prácticamente divididos por la mitad”, dijo Lisa Upton, copresidente del actual panel de predicción del Ciclo 25 y físico solar del Southwest Research Institute. "Hubo algunos intercambios acalorados".

Predecir el ciclo 25, que comenzó en diciembre de 2019, parecía mucho más sencillo. En marzo de 2019, Upton y sus colegas predijeron que alcanzaría su punto máximo en julio de 2025 con un promedio de 115 manchas solares. Habían examinado 61 predicciones con R valores que oscilaban entre 50 y 229, pero favorecían una clase de predicciones basadas en la física solar que coincidían en gran medida entre sí.

"Lo tuvimos bastante fácil", dijo Upton. "Todos estuvimos de acuerdo en que iba a haber un ciclo bastante débil".

El sol tenía otros planes.

Señales de cambio

Los métodos modernos basados ​​en la física vienen en dos formas. Se buscan parámetros físicos observables, llamados precursores, que presagian la fuerza del ciclo venidero. El otro utiliza modelos por computadora para recrear la física del sol y hacerlo girar hacia adelante.

Entre los precursores, el predictor más exitoso hasta el momento es la intensidad del campo magnético en los polos del Sol durante el mínimo solar, en el que el panel de predicción del Ciclo 25 basó su pronóstico actual. Cuando el sol está inactivo, su campo magnético es un dipolo, como una barra magnética con extremos positivos y negativos. La fuerza del dipolo gobierna un proceso que eventualmente invierte la polaridad del campo magnético, lo que causa el ciclo solar. A lo largo de los años, los científicos han descubierto que la intensidad del campo polar como mínimo está fuertemente correlacionada con la intensidad del ciclo venidero.

Un problema con este predictor es que el campo polar sólo se ha medido directamente durante los últimos cuatro ciclos, desde 1976. Pero hay formas indirectas de medir su fuerza, como el aa-índice, que utiliza perturbaciones en el campo magnético de la Tierra como indicador de la intensidad del campo polar; estos se han medido durante más de 150 años, lo que ofrece otro grupo de puntos de datos.

"Con cuatro puntos, la correlación podría ser una coincidencia, pero una vez que obtienes 13 puntos, parece menos una coincidencia", dijo Roberto cameron, físico solar del Instituto Max Planck para la Investigación del Sistema Solar en Göttingen, Alemania, que formó parte del último panel de predicción.

Una nueva esperanza

Recientemente, un estudio dirigido por Leamon y Scott McIntosh del Centro Nacional de Investigación Atmosférica identificó otro precursor prometedor llamado evento terminador. Es el momento en que la actividad magnética del ciclo anterior desaparece y es reemplazada por la actividad magnética del nuevo.

Leamon y McIntosh encontraron pistas en datos históricos que sugieren que el momento del terminador corresponde a la fuerza del nuevo ciclo: un terminador temprano se traduce en más manchas solares y, por tanto, en un ciclo más fuerte. Basándose en el último terminador, que ocurrió en diciembre de 2021, la pareja predijo que el ciclo 25 alcanzaría un máximo de 185 manchas solares y alcanzaría su punto máximo en julio de 2024, casi un año antes de la predicción oficial.

“No voy a alardear”, dijo Leamon. "Pero [el sol] es ciertamente mucho más activo que el consenso del panel".

Sin embargo, una limitación de la mayoría de los métodos precursores es que se basan en el mínimo solar: los científicos no pueden hacer una nueva predicción hasta que el ciclo esté a punto de comenzar. Por eso a veces buscan la ayuda de métodos basados ​​en la física que son similares a modelos complejos de predicción climática. Estas simulaciones por computadora utilizan dinámica de fluidos y electromagnetismo para recrear la física solar; Luego, los científicos aportan datos de observación para anticipar cómo podrían verse el campo polar y otros precursores dentro de unos años.

Una lógica enterrada

Pero las predicciones basadas en la física son sólo la mitad de los pronósticos que analizó el panel del Ciclo 25. El resto, aunque quizás con menos éxito ahora, podría resultar útil en el futuro.

Se trata de una combinación de estrategias, la mayoría de las cuales utilizan ciclos solares anteriores para predecir el número actual de manchas solares. Estos métodos a veces encuentran fuertes correlaciones entre las manchas solares y cosas que inicialmente parecen bastante aleatorias, dijo Víctor Sánchez Carrasco, físico solar de la Universidad de Extremadura en España. Esas correlaciones podrían ser simplemente una coincidencia, dijo, pero también existe la posibilidad de que estén aprovechando "alguna física subyacente que todavía no entendemos".

Y los físicos siguen probando nuevos enfoques, como el uso de inteligencia artificial o redes neuronales para buscar correlaciones entre siglos de datos sobre manchas solares. "Hay una mística asociada con series temporales tan largas", dijo el astrofísico Eurico Covas, colaborador del Instituto de Astrofísica y Ciencias Espaciales de Portugal.

Por ahora, Upton todavía piensa que la predicción del panel aún no está muerta. "Parece que el ciclo [la fuerza] podría ser un poco mayor de lo que predijimos, pero no significativamente mayor", dijo. Ella señala que la curva suavizada, una vez que todos los datos estén incluidos, probablemente no desviarse tan dramáticamente como los promedios mensuales que traza la NOAA. Y en base a la evolución del ciclo actualCarrasco está de acuerdo en que el ciclo 25 probablemente será más fuerte que la predicción del panel, pero aún más débil que el promedio. “Los próximos seis meses son clave para ver hacia dónde se dirige el Ciclo Solar 25”, afirmó.

A pesar de estas incertidumbres, Leamon confía en que los físicos estén cerca de poder emitir predicciones precisas. Para 2030, cuando se reúna el próximo panel, “tendremos un manejo mucho mejor del asunto”, dijo. "Éste será el último ciclo que no comprendamos del todo".