¡Qué solazo!

efecto de una llamarada solar
Representación artística del efecto de una llamarada solar (técnicamente una “eyección de masa coronal”) llegando a la atmósfera de nuestro planeta. Los tamaños no están a escala y la figura solo tiene una función ilustrativa. Fuente: https://bit.ly/3qlyKlL.

No eres tú, soy yo

Mientras escribo esta columna en agosto de 2023, muchos vemos en redes, y casi con la misma frecuencia, imágenes de desastres climáticos sin precedentes o   récords de temperatura rotos en todas partes, y vídeos e imágenes revelados por telescopios espaciales que muestran cómo la “actividad solar” también se encuentra al alza [1]. 

Como dice el dicho, “al caído, caerle”. 

No solo el clima del planeta se desbarata ante nuestros ojos, sino que ahora, también el Sol está mostrando signos de un “humor” que no tenía desde hacía más de dos décadas.

No es raro entonces, que muchos nos preguntemos en estos momentos por la “responsabilidad” del Sol en todo esto del calentamiento global. Y es que ¿no es en realidad el Sol la fuente última del calor que recibimos en la Tierra? Si es así, ¿no podría ser el “humor” de nuestra estrella —lo que sea que eso signifique, ya lo explicaré—, cambiante y a veces impredecible, si no la causa principal, al menos uno de los factores más importantes —e inevitables— de la crisis climática? 

Les propongo que intentemos exorcizar aquí, y de una buena vez —¿o estaré pecando de muy ingenuo?— este mito tan común. Que establezcamos, con la ayuda de los avances científicos de las últimas dos décadas, el verdadero papel del humor variable del sol en los cambios alarmantes del clima de nuestro planeta.

Para evitarles la fatiga, se los resumo en una frase: “no eres tú —el Sol—, soy yo —la humanidad—”.

 No creo que les sorprenda mucho la conclusión, pero espero que al final compartan conmigo la opinión de que debemos saber de estas cosas para poder explicarlas a quiénes todavía están buscando causas externas al desastre antropogénico.

Sol, solecito, caliéntame un poquito

Es una verdad de a puño que cuando hace sol, hace también mucho calor. Es justamente por esto que no es difícil encontrar personas que le echen la culpa al Sol del clima abrasador de los últimos años.  

Pero el “calor”, o para ser más preciso, la temperatura del aire a nuestro alrededor, no está determinada únicamente por la cantidad de luz solar que llega a la superficie. Cuando está nublado o cuando no hay sol en la noche, también hace calor y a veces mucho más de lo que esperaríamos en ausencia del Sol.

 Para empezar a entender el papel del Sol en el clima de la Tierra hay que saber de presupuestos. “¡¿Presupuestos?!, ¿no sabía que esto iba a ser de economía?”, preguntaran las personas más impacientes. 

En realidad nos referimos aquí a presupuestos energéticos (técnicamente el balance de energía), o en palabras llanas al balance de cuánta luz llega del Sol y cuánta sale de la Tierra. En los presupuestos energéticos está la clave del calentamiento global y del rol de distintos factores que lo determinan, incluyendo el Sol, por supuesto. Si tienen paciencia y leen con atención lo que sigue tal vez aprendan una o dos cositas nuevas que les permitirán navegar por las turbias aguas de la ciencia de la crisis climática, y por ahí derecho,entender el papel del Sol en la crisis climática.

El presupuesto del clima

Presupuesto energético del clima de la Tierra. Si se suman los valores con signos en las flechas amarillas, el resultado debe ser 340 W/m2, el promedio de la energía que llega del Sol. Si se suman los valores con signo de las flechas anaranjadas, el resultado debe ser -159 W/m2, es decir la cantidad total de calor que sale del suelo. Gráfico elaborado por el autor, Jorge I. Zuluaga, con base en los datos de Read et al. (2015) [2] que a su vez fueron originalmente tomados del reporte del IPCC de 2013.

El diagrama anterior, que en la jerigonza científica se conoce como un diagrama de Trenberth [3], muestra de dónde viene y adónde va la energía que fluye por la atmósfera y la superficie de la Tierra (formada por continentes, océanos y hielo). Como hay demasiada información en el diagrama [4] –pero si hubiera menos este no serviría de mucho–, permítanme resaltar algunos datos importantes, al menos para el propósito de esta columna.

Como he señalado antes, la fuente básica de energía para el clima de la Tierra es el Sol. Si se mira con cuidado, toda la energía que se muestra en el diagrama de Trenberth es energía solar; bien sea energía directa (flechas amarillas) o energía procesada (flechas anaranjadas). Esta es también la razón por la que medimos los flujos de energía en el diagrama como porcentajes de la cantidad de luz que recibimos del Sol, que en promedio asciende a unos 340 vatios por metro cuadrado (340 W/m2) [5]. 

Entendido esto, llega la primera sorpresa: la cantidad de calor que llega a la superficie de la Tierra no es realmente 340 W/m2. Pero tampoco es el 47% de eso o 161 W/m2, que es lo que queda después de restar a 340, lo que se refleja en el aire, las nubes y el suelo (30% o 100 W/m2) y lo que absorbe la atmósfera (23% o 79 W/m2). En realidad, la superficie de la Tierra recibe, además de esos 161 W/m2 de luz solar, otros 343 W/m2 de calor procedentes de la misma atmósfera. Ambas contribuciones suman un total de 504 W/m2 que “llueven” permanentemente de arriba. 

En otras palabras, aunque no vemos ese calor, el aire es como un segundo sol para nosotros. Sin la atmósfera, la Tierra estaría helada [6].

De entrada este dato asombroso nos permite entender que aunque el Sol es la causa primaria de la energía en el clima de la Tierra, no es el único factor —ni siquiera el más importante— que determina la temperatura en la superficie de nuestro planeta.

Ahora bien, si el suelo se quedará permanentemente con esos 504 W/m2, nuestro planeta se rostizaría en menos de lo que canta un gallo y el calentamiento global sería un chiste comparado con el infierno resultante. 

Pero no es así. 

La energía absorbida por el suelo es transportada nuevamente hacia arriba. Por un lado es radiada como calor (398 W/m2), o convertida en corrientes de aire ascendente (convección), o liberada a través de la evapotranspiración desde el suelo y las plantas, o convertida en nubes y otros fenómenos atmosféricos (liberación de calor latente). Todo lo anterior suma unos 104 W/m2. En total, la superficie de nuestro planeta termina emitiendo 502 W/m2, liberándonos del exceso de calor que nos rostizaría.

¡Puf!, ¡de la que nos salvamos! 

Pero un momento. 

Hace un par de párrafos habíamos dicho que el suelo recibe 504 W/m2 y ahora hemos dicho que emite 502 W/m2. El balance es casi perfecto, pero no cierra. Todavía parece que el suelo se está quedando, permanentemente, con 2 W/m2 de energía que no tenía.

 ¿Dónde está nuestro error?

 ¡No hay error! 

Bienvenidos al planeta del calentamiento global.

De forzamientos y otros demonios

Así pues, el calentamiento global se puede definir, en términos del presupuesto energético, como el proceso en el cual se produce un desbalance entre la energía que llega al suelo, procedente del Sol o reciclada en la atmósfera, y la que es liberada por el mismo suelo hacia arriba. A ese desbalance se le llama en el lenguaje de la ciencia “forzamiento radiativo”.

El forzamiento radiativo casi nunca es exactamente cero. Distintos factores internos y externos a nuestro planeta, han movido ese importante número hacia arriba (calentamiento global) y hacia abajo (enfriamiento global) a lo largo de la historia.  Para los propósitos de estudiar el cambio del clima en los últimos siglos, se ha elegido medir el forzamiento radiativo —así como se hace con la temperatura promedio— con respecto al valor que tenía en 1750 cuando comenzó la revolución industrial. 

A la fecha en la que escribo esta columna, el valor del forzamiento radiativo neto —teniendo en cuenta los factores de calentamiento y enfriamiento— ronda los 2,5 W/m2 y, como casi todo en la crisis climática, está actualmente al alza.

Usando el presupuesto energético es posible descomponer los factores que contribuyen al forzamiento radiativo total de la Tierra. Esto permite entender cuáles son los fenómenos que contribuyen en una dirección o en otra con el efecto total. Es esta, justamente, la manera más precisa de evaluar si el Sol y su humor variable están teniendo realmente un efecto sobre el clima de la Tierra.

Así, por ejemplo, si la cantidad de nubes bajas en nuestro planeta aumentara en digamos un 1%, la fracción de luz solar reflejada por ellas al espacio, y que en el diagrama arriba suma, según las estimaciones actuales, un 17% o cerca de 58 W/m2, aumentaría también, digamos en 0.5 W/m2. Al aumentar la luz reflejada disminuiría la luz del Sol que llega a la superficie y pasaríamos de tener 161 W/m2 a 160,5 W/m2. Si ninguno de los factores restantes cambiara –lo que es irreal puesto que las nubes se conectan con el resto de los fenómenos, pero este es un ejemplo muy simple–, y la cantidad de radiación que sale del suelo siguiera siendo 159 W/m2, el forzamiento total ya no sería de 2 W/m2 (161 menos 159), sino de 1.5 W/m2 (160,5 menos 159). En este caso diríamos que el exceso de nubes bajas produjo un forzamiento de -0.5 W/m2.

Se han estimado las contribuciones que muchos factores físicos producen al forzamiento radiativo de la atmósfera. El resultado de los más relevantes se muestra en la siguiente figura.

Componentes del forzamiento radiativo a la atmósfera según datos de 2011. Fuente: https://bit.ly/45bUwqM. Para los datos actualizados y publicados en el último informe del IPCC ver https://www.ipcc.ch/report/ar3/wg1/chapter-6-radiative-forcing-of-climate-change/

Como puede verse allí los gases de efecto invernadero —dióxido de carbono CO2, metano CH4, óxido nitroso NO2 y otros—, que en su mayoría vienen de emisiones antropogénicas, representan el grueso del forzamiento radiativo (cerca de +3 W/m2).  En contraste, la presencia de aerosoles, los cambios en el uso del suelo y la cobertura de nubes producen un forzamiento radiativo negativo —tienden a enfriar el planeta—. 

¿Dónde está el Sol en nuestra historia? ¿Lo vieron? ¡Efectivamente! El cambio en el forzamiento radiativo debido únicamente al Sol, en los últimos 273 años, es esa pequeña barrita de poco menos de 0,1 W/m2 que está al final del diagrama (dice en inglés “Solar irradiance”) [7].

Efectivamente, no eras tú, somos nosotros.

El humor variable del Sol

Hasta aquí podríamos concluir que teníamos solo un malentendido con el Sol. Nuestra estrella efectivamente provee casi la totalidad de la energía involucrada en el presupuesto de calor de la atmósfera de la Tierra. Sin embargo, lo que realmente hace que haya un calentamiento global son los cambios en la manera como esa energía se refleja, se absorbe o se redistribuye a través de las partes que constituyen nuestro complejo planeta. El Sol pone la base, pero son los fenómenos intrínsecos al planeta los que definen lo que pasa con el clima, al menos en el corto plazo.

Pero hay algo en los resultados mencionados hasta ahora que debe generar como mínimo un poco de inquietud. 

Si el forzamiento solar depende exclusivamente de cuánta luz llega del Sol —esos 340 W/m2 que constituyen nuestro punto de partida—, ¿por qué parece que dicho forzamiento ha aumentado en los últimos casi tres siglos? ¿Acaso está cambiando el Sol mismo? ¿Qué consecuencias podría tener ese cambio, si no ahora, en un futuro más remoto?

Es aquí, donde entra el segundo protagonista de esta historia; aquello a lo que me referí desde el principio como el “humor solar”.

Aunque el Sol parece una bola blanco-amarilla bastante lisa, al menos cuando se la mira entre nubes altas o con unas gafas de sol, en realidad la superficie de nuestra estrellas es más compleja de lo que creemos. 

Una prueba notable de esa complejidad aparece cuando se dejan ver las denominadas manchas solares. Estas manchas son inmensas regiones de la superficie solar en las que el plasma está 2000 grados más frío que su entorno. A menor temperatura los gases se hacen menos brillantes y por el contraste aparecen las regiones oscuras. Pero recuerden, no lo están. Si pudiera aislarse la luz emitida por una mancha, su brillo nos enceguecería casi tanto como la luz procedente de cualquier otra parte de la superficie del Sol.

Desde mediados del siglo XIX sabemos que las manchas solares son lugares en los que se concentran campos magnéticos en la superficie del Sol. Las manchas son algo así como polos de magnetismo solar que aparecen y desaparecen sin previo aviso, sobre la superficie de nuestra estrella. 

Esta imagen muestra un montaje de una fotografía del Sol tomada por el Solar Dynamic Observatory el 17 de julio de 2023 y el tamaño de la Tierra y Saturno si se vieran a la misma distancia. Imagen tomada de https://sdo.gsfc.nasa.gov/data/.

Pero estas monumentales manchas oscuras son apenas una muestra minúscula de la complejidad de la atmósfera solar. 

Cuando se mira nuestra estrella usando únicamente la luz ultravioleta, se pone en evidencia la verdadera cara del Sol. Nuestra estrella se ve, en esas longitudes de onda, como si fuera la parte de atrás de la cabeza de un ángel pintado por Leonardo Davinci: una esfera cubierta de rizos. En el caso del Sol, los rizos están hechos de enormes ríos de plasma esculpidos por los mismos campos magnéticos que crean las manchas solares. 

A todas las manifestaciones del campo magnético solar, manchas solares, rizos en la atmósfera, entre otros fenómenos, se los conoce en astronomía como la actividad magnética solar o para los amigos, el “humor del Sol”.

Imagen del Sol tomada en el UV. Nuestra estrella se ve irreconocible porque la luz que vemos aquí viene de las capas más externas calentadas por explosiones magnéticas constantes. Fuente: https://sdo.gsfc.nasa.gov/data/. 

Con el nivel de complejidad que tiene la superficie y atmósfera solar, no debería ya sorprendernos que el brillo del Sol no sea completamente estable, es decir que la cantidad de luz que nos llegue a la Tierra no sea siempre de 340 W/m2.

El aumento en el forzamiento solar de +0.1 W/m2 desde 1750 hasta el presente, y que mencionamos en el aparte anterior, es debido justamente al hecho de que la actividad solar se ha incrementado desde entonces hasta nuestros días. Pero ¿cómo lo sabemos?

El cambio en el humor del Sol se ve reflejado en el número de manchas solares que se observan en su superficie; manchas que han sido contadas con paciencia por aficionados y profesionales de la astronomía casi desde tiempos de Galileo Galilei.

Número promedio de manchas solares observadas por mes en la superficie del Sol desde la Tierra, desde su descubrimiento oficial en 1609. Se puede apreciar que la actividad solar ha ido en aumento desde el inicio de la revolución industrial, después de pasar por un prolongado mínimo (el mínimo de Maunder) un siglo antes. Fuente: https://bit.ly/47mSiGZ

La observación de las manchas por casi tres siglos y su posterior asociación con intensos campos magnéticos en la superficie del Sol, le permitió a los astrónomos de finales del siglo XIX y principios del siglo XX descubrir que el humor del Sol no solo era variable sino cíclico. Como puede apreciarse en la figura anterior, la actividad solar sube y baja con una periodicidad de entre 11 y 12 años [8]. Llamamos a esta variación periódica el ciclo de Schwabe o simplemente ciclo solar.  

Con las manchas y otros fenómenos magnéticos asociados, el brillo solar, el número a la entrada en el presupuesto energético, oscila con amplitudes de alrededor de 0,1 W/m2

A las puertas de un máximo histórico

Desde 2019 la actividad solar viene aumentando de manera progresiva, al punto que se ha declarado este año como la fecha oficial de inicio del ciclo solar 25 [9]. 

Hasta ahí, no deberíamos extrañarnos o preocuparnos. 

El humor solar sigue oscilando arriba y abajo como lo hemos venido observando desde hace más de 2 siglos y como posiblemente lo ha hecho por cientos sino miles de millones de años. 

En los últimos meses, sin embargo, el Sol viene mostrando indicios de que el próximo máximo de actividad solar no será un máximo cualquiera. El número de manchas solares observadas en meses recientes ha duplicado el número esperado con base en los datos de ciclos solares anteriores. La actividad solar ha alcanzado niveles que solo se comparan con aquellos de los máximos inmediatamente anteriores. De seguir como va, el Sol podría mostrar para 2025 signos de actividad propios del denominado máximo moderno, que se produjo en la segunda mitad del siglo XX.

Número de manchas solares observadas en los últimos 50 años, incluyendo las manchas del último ciclo, el ciclo 25 en el que nos encontramos. Como puede apreciarse, el nivel de actividad observado (curvas verdes y curva negra) supera significativamente el nivel esperado (curva azul). De seguir como va, el próximo máximo, que se produciría entre 2024 y 2025, podría ser tan intenso como el de 2000. Fuente: https://bit.ly/43Q9Bxi.

¿Tendrá esto un efecto sobre el clima terrestre? ¿Será está la gota que derramará el vaso de la crisis climática? ¿Podría el aumento reciente en la actividad solar explicar las olas de calor observadas en 2023 en el verano del hemisferio norte?

De la misma manera que los cambios de humor del Sol no pueden explicar el calentamiento global del planeta en los últimos 273 años, el forzamiento solar inducido por el aumento en la actividad magnética reciente será demasiado pequeño comparado con el producido por todos los demás factores del clima, especialmente los factores antropogénicos.

Así que no. Tampoco es el Sol. Somos nosotros, no insistan.

En esta representación de la evolución del forzamiento radiativo producido por distintos factores naturales y antropogénicos a lo largo de los últimos 273 años. Se puede observar como la actividad variable del Sol (la curva amarilla en la parte superior) es apenas un rizado insignificante que cabalga sobre forzamientos mucho más poderosos producidos por los gases de efecto invernadero (dióxido de carbono y otros indicados como WMGHG) y otros factores de origen humano.

Pero no es tan bueno como parece

Espero pues haberles convencido de que el Sol, si bien es el motor del clima, tiene poco que ver con los cambios radicales que está sufriendo nuestro planeta en el presente. 

No hay dudas: la crisis climática tiene origen en la actividad humana. 

Le ganamos incluso a una estrella —pero no es para estar muy orgullosos de ello—.

Sin embargo, ninguna de las razones aquí presentadas es suficientemente buena para tranquilizarnos completamente y dejar de vigilar a nuestra estrella. 

Hay otro clima, el clima espacial, y con la llegada de un nuevo máximo solar anormalmente intenso, no se anticipan cosas buenas para nuestra especie que se ha vuelto altamente dependiente de las señales electromagnéticas que son seriamente perjudicadas por un clima espacial especialmente inestable.

Pero esta es harina de otro costal o tema de una columna muy diferente. Amanecerá y veremos.

Fotografía de una gigantesca “prominencia” solar observada desde la Tierra a finales de julio de 2023. Asociadas a muchas de estas prominencias, están las denominadas eyecciones de masa coronales que, dirigidas hacia la Tierra, pueden producir cambios significativos en el campo magnético de la Tierra y causar afectaciones importantes para las comunicaciones. Los próximos 2 o 3 años no serán fáciles para nuestra agobiada especie.
Fuente:
https://apod.nasa.gov/apod/ap230801.html.

Referencias y notas del autor

[1] Para ver las últimas imágenes del Sol y de su actividad, incluyan esta página entre sus favoritos: https://earthsky.org/sun/sun-activity-solar-flare-cme-aurora-updates/

[2] Read, P. L., et al. «Global energy budgets and ‘Trenberth diagrams’ for the climates of terrestrial and gas giant planets.» Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society 142.695 (2016): 703-720. Descarga aquí https://bit.ly/47jqPWN

[3] Los diagramas de Trenberth fueron introducidos por Kevin Trenberth y colegas en uno de los artículos más citados de las ciencias del clima y el medio ambiente, Trenberth, Kevin E., John T. Fasullo, and Jeffrey Kiehl. «Earth’s global energy budget.» Bulletin of the American Meteorological Society 90.3 (2009): 311-324. Descarga aquí https://bit.ly/3OrGSZW

[4] Para una demostración visual muy educativa del diagrama de Trenberth en el caso del presupuesto energético de la Tierra ver: https://demonstrations.wolfram.com/PlanetaryTrenberthDiagrams/

[5] En realidad a cada momento en un punto situado justo debajo del Sol en la parte alta de la atmósfera de la Tierra llegan en total 1361 W/m2. Sin embargo, como de lo que se trata es de estudiar el efecto de la luz sobre sobre el clima del planeta como un todo, debemos promediar la cantidad de luz que llega a toda la Tierra en un momento dado, teniendo en cuenta tanto los puntos en los que hay sol, como aquellos en donde es de noche. El promedio así obtenido es de una cuarta parte del flujo máximo recibido en un punto del planeta al medio día, es decir 340 W/m2.

[6] Para los astrónomos, que saben de cuerpos pelados –sin atmósfera–, el cálculo es bastante sencillo: si sólo tuviéramos en cuenta la luz que recibimos del Sol y asumiéramos que las rocas peladas de la Tierra reflejan lo mismo que las de la Luna, la temperatura promedio del planeta sería de 15 grados bajo cero. Hoy es de 15 grados sobre cero. La Tierra sería un moridero. Bendita sea la atmósfera.

[7] Para valores exactos de los forzamientos pueden consultar el resumen para tomadores de decisiones del quinto reporte del IPCC, figura SPM.5 https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/02/WG1AR5_SPM_FINAL.pdf. En el último reporte, que incluye datos hasta 2019, el valor del forzamiento solar ni siquiera se incluye. Vea la figura respectiva aquí: https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg1/figures/chapter-7/figure-7-6.  

[8] Investigaciones recientes han empezado a sugerir que el ciclo de Schwabe es el resultado del ciclo magnético más largo, el denominado ciclo de Hale, en el que con una periodicidad de cerca de 22 años el campo magnético solar se invierte (el norte solar se vuelve sur y viceversa). Durante este proceso oleadas de magnetismo recorren el Sol de norte a sur, haciendo aparecer y desaparecer cada 11 años las manchas y demás manifestaciones de la actividad solar. Para detalles ver: Leamon, Robert J., and Scott W. McIntosh. «Deciphering Solar Magnetic Activity: The Solar Cycle Clock.» Frontiers in Astronomy and Space Sciences 9 (2022): 886670. Descarga aquí: https://bit.ly/3Kqbl9O

[9] En 1852, Rudolf Wolf, uno de los pioneros en el registro del número de manchas y la identificación de los patrones en la actividad solar, comenzó a identificar los ciclos comenzando con el mínimo que se produjo en 1755 y que correspondió al inicio del ciclo 1. Desde entonces hasta el presente han ocurrido 24 ciclos y como se explica en el texto, el ciclo 25 comenzó apenas en 2019.

Jorge Zuluaga.
Jorge Zuluaga.

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