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Dinámica Planetaria y Climática Kepleriana

El "Tirón Solar", El Ciclo King-Hele, y el Reto a la Ciencia Climática

por Rhodes W. Fairbridge
(Publicado en 21st Century Science and Technology)


Un científico senior de ciencias de la Tierra divulga algunos descubrimientos poco conocidos, y la manera en que podrían afectar al clima de la Tierra.


Durante la Guerra Fría, uno de aquellos misteriosos científicos conocidos en Gran Bretaña como "boffins" fue D.G. King-Hele, ubicado en los laboratorios de investigación de la Fuerza Aérea en Farnborough. Sus primeros trabajos fueron, desafortunadamente, sepultados bajo etiquetas de seguridad, pero en las últimas décadas la tapa fue levanta (un poco), y en 1975 publicó un delicioso ensayo en el volumen de kepler de Vistas in Astronomy (Vol. 18), titulado "De la Armonía Celestial de Kepler a los Modernos Armónicos Terrestres…”

Antes, en 1966, se había destacado (en Nature, Vol. 209) con un breve item titulado "Predicción de las Fechas e Intensidades de los Próximos Dos Minimos de Manchas del Sol". ¿Cómo se llegó hasta esto? Fijánose en los planetas – no en los efectos terrrestres, y tampoco, asomobrosamente, en el Sol.

El movimiento de los planetas y su estudio nos lleva hasta la época de Kepler y Galileo. Luego, en la segunda parte del Siglo 20, vino la cohetería y la posibilidad de la exploración espacial. Esto trajo habilidades avanzadas de formulación y computación. Aquí, la NASA y el Jet Propulsion Laboratory en Pasadena, California, ingresan a escena. Los Rusos, naturalmente, hicieron lo mismo, y algunos de ellos consiguieron (a través de los Checos) de mantenerse en contacto con los Americanos.

Cada planeta requiere de su propia tabla de tiempo y geografía del espacio. Los retos computacionales eran enloquecedores, erpo fueron conquistados. Armados con esta nueva clase de documentos (las tablas de tiempo planetaria), dos profesores de geología retirados, de la Universidad de Columbia, John Sanders y este autor, pudieron preparar un marco de trabajo planetario para la explicación del clima terrestre. Fue presentado en un volumen titulado "Clima: Historia, periodicidad, y Predecibilidad", editado por Michael R. Rampino (New York: Van Nostrand, 1987).

El autor Rhodes W. Fairbridge en su cumpleaños 80, Mayo 21, 1994.
El marco de trabajo planetario no apareció totalmente formado, como la Venus de Botticelli, en las costas de Chipre (un templo marca el lugar). Muchos astrónomos famosos le habían prestado mucha atención y trabajo al asunto. En 1801, el Astrónomo Real de Inglaterra, Sir Willima Herschel, discutió la naturaleza de las manchas solares, su variabilidad, su efecto sobre el clima, y la posición de los planetas como posible fuerza causante. Aunque este trabajo fue publicado por la Royal Society, estaba "adelantado a su tiempo". Más de un siglo y medio después, había mucha más información - pero no mucha más luz.

Este escritor organizó en 1961 una conferencia internacional en la Academia de Ciencias de Nueva York (Anales del NYAS, Vol. 95, ed. R.W. Fairbridge). Por lo menos la mitad de la audiencia no estaba impersionada por la evidencia. Pero uno de ellos era un astrónomo aficionado, un antiguo vendedor de máquinas de coser Singer, Clyde Stacey, que vivía retirado en Puerto Rico.

Stacey trabajó a mano, sin la ayuda de una computadora, y ni siquiera una calculadora de bolsillo, usando la analogía mecánica de un sistema de engranajes para dexcribir a los ciclos planetarios. Stacey no tenía cualificaciones académicas, y sus trabajos fueron rechazados por Nature y Science. Se aproximó a nostros después del seminario, y fue invitado a la Universidad de Columbia. Durantre horas explicó sus conceptos. Fue entonces arreglado que la Academia de Ciancias de Nueva York publicara sus trabajos (Anales de la NYAS, Vol. 105, No. 7, 1963), y pocos años más tarde, se incluyeron extractos en la Enciclopedia de Ciencias Atmosféricas y Astrogeología (ed. Fairbridge, 1967).



La foto de la izquierda muestra una muesca inter-mareas (entre marea alta y baja) en erosión, en la isla Kapapa, Oahu. La foto de la derecha muestra una formación submarina de forma similar, a 24 metros de la superficie a lo largo de la costa de Kaneohe, Hawai. Este es un ejemplo de las muchas clases de evidencias que le dicen a los geólogos acerca de los cambios climáticos de largo plazo. En este caso, las claves sugieren ek rápido ascenso del nivel del mar, producido durante el derretimiento que comenzó al final de la última Edad de Hielo, hacen unos 18.000 años.
Stacey nos hizo notar que un planeta que gira en su órbita elíptica Kepleriana no enviaba tirones energéticos a la fotósfera del Sol, que pudieran explicar el periódico crecimiento de las manchas del Sol. Pero cuando están involucrados dos planetas, a medida que el más rápido sobrepasa al más lento,existe brevemente un efecto gravitacional combinado que es sentido por ambos planetas y, más importante, por el mismo Sol. Esto no es una marea (que es minúscula), sino un "par" (o torque). Las capas gaseosas más externas de esa estrella tienen una viscosidad baja que es susceptible de cualquier cambio en el momento angular, al igual que la atmósfera de la tierra (en contraste con su hidrosfera y litosfera).

Uno debería recordar que hay dos clases de momento angular involucrados: uno relacionado con el giro de un cuerpo en rotación, y el otro con su movimiento orbital. De acuerdo a Theodor Landscheidt, uno de los contribuyentes al volumen climático de Rampino (1987, mencionado más arriba), la "diversión" comienza cuando el eje de rotación del Sol se sobrepone con el eje de revolución de los planetas. Para decirlo de otra manera, el baricentro (centro de masas) del Sol no se corresponde normalmente con el baricentro del sistema solar total. El baricentro del Sistema Solar como un todo, varía a medida de que los planetas giran alrededor del Sol, y sus masas se acumulan en uno u otro lado del Sol (Figura 1).



Figura 1

RELACIONES DEL SOL Y EL BARICENTRO DEL SISTEMA SOLAR

La revolución de los planetas alrededor del Sol hacen que el centro de masas (o baricentro) del Sistema Solar se mueva de una posición dentro del Sol a un punto fuera del mismo. El movimiento de Júptier, el más pesado de los planetas, causa el desplazamiento más grande. En el cuadro de arriba, cuando Júpiter y los demás planetas pesados (Saturno, Urano, y Neptuno) están a un lado del Sol, el baricentro (marcado por la letra B sobre el triangulito), está ubicado fuera del Sol. En el cuadro inferior, cuando Júpiter está al otro lado del sistema solar, el baricentro cae dentro del Sol. La hipótesis dice que los cambios resltantes en la velocidad angular orbital del Sol causará variaciones en las emisiones solares, afectando al clima de la Tierra.



El baricentro para el sistema como un todo, puede ser más grande que un diámetro solar fuera del Sol., o puede hallarse en el centro del Sol. Hay dos ejes relevantes que considerar: elbaricentro, que es el eje de revolución del sistema planetario como un todo, y el propio eje de rotación del Sol.

Jupiter y las manchas solares

El fenómeno creado por el pasaje de un cuerpo celestial que se mueve a mayor velocidad que otro más lento, es una nueva periodicidad conocida como frecuencia de batido (FB). Su valor puede ser fácilmente claculado mediante una fórmula desarrollada a fines del Siglo 19 por un profesor Berlinés que estaba estudiando acústica, Hermann von Helmholz. ESta fórumla de Helmholz se expresa así:

BF = (Po x Pi) / (Po – Pi)

 Donde Po es el período orbital del cuerpo externo (más lento), y Pi es el del cuerpo interno (más rápido). como en cualquier forma de onda, la longitud de onda es la inversa de la frecuencia.

Si tomamos los períodos de los planetas más grandes, Júpiter y Saturno, la frecuencia de batido = 19.8593 (+ 0.6) años. Para Urano y Saturno, es de 45.392 (+ 0.4) años. para la Tierra y Venus, es sólo de 1.5987 años. Pero esto es nada más que una aproximación, porque las órbitas elípticas de todos los planetas varían, aunque dentro de límites bien predecibles. Estos valores fueron calculados en detalle por un matemático francés, Pierre Simon Laplace (1749-1827), hijo de un pequeño granjero, y que felizmente sobrevivió al entretenimiento corta-cabezas de la Revolución. Más tarde fue honrado como aristócrata, El Marqués de Laplace, en 1835, y que nos proveyó scon una Exposition de Système de Monde, que apareció eventualmente en el Vol. 6 de la sexta edición de sus obras copletas, publicado en París en 1884. Laplace pudo demostrar la estabilidad final del sistema solar, nada menos.

Una de las más útiles observaciones de Laplace, desde nuestro punto de vista, son las relaciones de simples enteros que existen entre las varias periodicidades orbitales, 2:3, 5:9, y así por delante. Estas relaciones se aplican no sólo a las órbitas, sino a los fenómenos que dependen de ellas. Así, el período de Júpiter (11,8626 años) y el del Ciclo Solar promedio (11,1212 años) tienen precisamente la relación 15:16.

King-Hele y la Progresión de la Simetría Orbital

Este ensayo comenzó con la mención del trabajo de King-Hele. Él fue capaz de identificar un proceso cíclico referido al retorno de la alineación de Júpiter, el centro del Sol, y el centro de gravedad del Sistema Solar (el baricentro). El ciclo King-Hele es de 177,9394 años. y ahora, encontramos que ese 1/15 de este ciclo nos proporciona el período de Júpiter, y 1/16 nos da el ciclo de manchas solares medio.

Las manchas de Sol han sido observadas por telescopios desde los tiempos de Galileo (1610). mediante el uso de "proxys" y de evidencia de documentos, un anticuario y maestro de escuela, Derek Justin Schove, fue capaz de rastrear el registro hasta más de 2.300 años atrás. Los escritos completos de Schove fueron publicados en 1983, y él fue uno de los invitados al encuentro de la Academia de Ciencias de Nueva York en 1961. Como se mencionó más arriba, no todos allí estaban abrumadoramente en favor de sus resultados. A pesar de ello, ahora pueden ser comparadas con las efemérides del Jet propulsion Laboratory, y concuerdan totalmente.

Siguiendo una sugestión de este escritor, un ingeniero Sueco, Hans Jelbring realizó un análisis de potencia del espectro del íntegro registro proxy de las manchas solares de Schove, que fue total y precisamente corroborado y publicado en el volumen de mi 80avo cumpleaños, editado por Charles Finkl (Journal of Coastal Research, Edición Especial, Vol. 17, 1995). Además de la periodicidad media, Jelbring también demostró que existían ciclos de largo plazo que estaban superimpuestas.

También incluido en ese volumen de mi cumpleaños 80 (1995), estaba una hipótesis mayor preparada por otros dos científicos Suecos, Goran Windelius y Nils Carlborg (el primero fallecido; el segundo hoy en el Observatorio de Estocolmo). La cuestión del momento angular fue examinada de cerca e ilustrada con encantadores caricaturas por un artista Inglés, Peter Tucker. Una característica de las alineaciones de Saturno-Júpiter (las llamamos "vueltas", como en la jerga de las carreras, y así SJL para abreviar) es su regreso a la misma posición celestial, groseramente cada 178,7337 años (9 x SJL). Concuerda con la simetría orbital (Fairbridge y Sanders, 1987) de modo que lo llamamos PSO, o Progresión de la Simetría Órbital (ver la figura 2).

Figura 2
PROGRESION DE LA SIMETRÍA ORBITAL
En los años 80s, Fairbridge y Sanders trabajaron con una efemérides de la órbita del Sol alrededor del baricentro del sistema solar generada por la NASA/Jet Propulsion Laboratory. Ellos identificaron a ocho patrones característicos de las órbitas del Sol alrededor del baricentro del sistema solar, determinados principlamente por la posición del planeta más pesado, Júpiter, con respecto al segundo más pesado planeta, Saturno, y modulados por las posiciones relativas de los demás planetas. La "vuelta" Saturno-Júpiter de aproximadamente 19,8 años es vista entonces como el factor clave en los patrones climáticos generados por el Sol.

Para conveniencia, ellos trazaron una línea tangente a la órbita solar en forma de corazón, y un eje de simetría (AXSYM) perpendicular en su parte superior. Las delgadas líneas de rayas ha sido trazadas a través de las posiciones del Sol más cercanas al baricentro (peribac). Los ocho patrones orbitales (A-H) están caracterizados por la cantidad de rotación angular del eje de simetría con respecto a las posiciones peribac. Los patrones A-H mostrados aquí corresponden a los años (después de Cristo):

A = 1416-1533; B = 1733-1751; C = 1712-1733; D = 1573-1593;
E = 1671-1694; F = 1929-1951; G = 1616-1632; H = 800-816
La progresión de la simetría orbital y los valores del ciclo King-Hele (178,7337 y 177,9394 años) tienen un denominador común en 40.036 años, cuando su relación es 225:224. Una cantidad de otras periodicidades conforman con este valor, tal como la "vuelta" Júpiter-Venus en 1,5987 años (x 1371). para alcanzar una completa periodicidad planetaria, tenemos que ir hasta 1.101.000 años (6160 x progresión de la simetría orbital). Lo que resulta muy notable acerca de este valor es que es un número entero preciso en años (anómalos) terrestres. Esto es también verdad para las diversas frecuencias de batido, así, las "vueltas" Saturno-Júpiter de 19,8593 años es exactamente 55.440,0 en 1,101 millón de años.

El Reto del Actual Siglo

Cuando se trata del clima terrestre, debe reconocerse que en el pasado geológico reciente se han registrado fluctuaciones climáticas mucho más grandes que el "calentamiento global" atribuido a las actividades humanas. Las erupciones volcáncias como las de 1883, 1815, y 535 DC., o sino retrocediendo varios milenios hasta el Mazama (unos 8.000 años atrás), o Toba (74.000 años), todas crearon episodios de enfriamiento. Sin embargo, si se restinge la discusión sólo a los ciclos más cálidos, encontramos que - de hecho - estos son tan grandes como los períodos fríos, pero simplemente en sentido positivo. Parece que se derivan de las relaciones solares. Las emisiones del Sol fluctúan, definitivamente. Durante los últimos 10.000 años, más o menos, tenemos una serie de tiempos que cuantifican tales eventos, o intervalos (algunos que duran varios siglos).

Las series de tiempo climáticas que abarcan múltiples milenios son pocas en número, pero convincentes, porque la mayor parte de los "pequeños meneos" parecen ir en la misma dirección. El criterio esencial para una serie de tiempos es que establece una medida de tiempo, correspondiente a unidades anuales, como en los anillos de árboles, probetas de hielo, o varves (depósitos geológicos) de capas sedimentarias. Estas pueden entonces compararse con los movimientos y periodicidades de los planetas, determinadas astronómicamente, que incluyen también a nuestra propia Tierra y su Luna. Luego, las series de tiempo pueden ser sujetas a varias formas de análisis Fourier para establecer un espectro de potencia de las periodicidades. Durante la última década, este procedimiento ha rendido resultados gratificantes. Por ejemplo, una edición reciente de la revista The Holocene (Vol. 12, pt. 6, 2002) contenía numerosos ejemplos basados en anillos de árboles.

Figura 3
CORRIENTES CONVECTIVAS ESTABLECIDAS POR EL "TIRÓN SOLAR"
En sus estudios del Sol, Theodor Landscheidt hizo notar que un cuerpo fluido impulsado en movimiento oscilatorio desarrolla corrientes convectivas. Sería por consiguiente lógico esperar que la fuerza y patrón del flujo convectivo debajo de la superficie del Sol varíen en respuesta a los cambios en momento angular. Aquí están ilustradas las hipotéticas corrientes convectivas impulsadas por el "tirón solar" a medida que el centro del Sol (CS) orbita alrededor del centro de masas (CM) del sistema solar.
El finalísimo origen del clima es, por supuesto, el Sol. Las fluctuaciones climáticas pueden derivarse de (a) emisiones solares, esto es, radiaciones electromagnéticas en varias longitudes de onda. Ultravioletas, ópticas, infrarrojas; y transmisión de partículas, como en el viento solar. A partir de (b) factores orbitales que afectan a la distancia de la Tierra al Sol, que cambia de manera constante con las fases de la Luna, como también las disposiciones geométricas de los planetas. Y finalmente, a partir de (c) factores terrestres, que incluyen latitud, topografía, intercambio aire-tierra, corrientes oceánicas, circulación atmosférica y química. Las relaciones Sol-Tierra son a veces comparadas con el juego del béisbol: uno tiene al lanzador (el Sol), el bateador (la tierra), y no es para menos, a la muchedumbre (todos los factores ambientales).

La belleza de la medición del tiempo por medio de materia sustantiva, como el hielo, lodo, o madera, es que estas cosas, añadidas a los análisis matemáticos, también pueden ser sujetas a varias formas de análsis geoquímicos. Los isótopos de oxígeno suministran medidas de la temperatura, y la tasa de flujo de carbono-14 (en los anillos de árboles) proveen una señal inversa de las emisiones solares. Ambos de estos registros se remontan a más de 10.000 años, y pueden ser comparados directamente con la astrocronología. Este es el principal avance necesario para el Siglo 21, proveyendo el potencial para predecir no sólo el comportamiento de las manchas del Sol, sino también las expectativas del El Niño y varios sistemas de tormeta.

Las tormentas de la Tierra están de modo predominante en dos categorías: aquellas que se originan cerca del Ecuador, y las que se originan en las latitudes subpolares. La primera de estas, introduce el rol de la Luna, que tiene un importante factor de declinación (18,6134 años). La declinación durante el hemiciclo desplaza la posición cenital de la Luna cerca de 1.200 km al norte y sur sobre cada hemisferio, lo que tiene el efecto de acelerar las corrientes geostróficas como la Corriente del Golfo y la Kuo Shio. Una Corriente del Golfo más fuerte calienta a la Corriente de Murmansk, al norte de Rusia, y empuja hacia atrás al hielo polar creando una extendida estación de aguas abiertas, lo que aumenta las nevadas sobre Siberia y el Asia Central.

La evidencia histórica (proxy) de las temperaturas del Ártico sugieren un rol aproximadamente igual para el ciclo de declinación de la Luna y el ciclo de manchas solares (11/12 años), en un radio de 3:5. pero en las latitudes altas, el Doble Ciclo Solar (o Inversión Magnética Solar, a 22,25 años), es más importante, de manera que la relación sería 6:10, creando una bien conocida periodicidad de 111 años. Un eslabón interesante con los ciclos planetarios existe en la cifra de triple relación: 317,749 años (7 "vueltas" urano-Saturno/ 16 vueltas Saturno-Júpiter/ 17 ciclos de declinación Lunar).

Un registro de tempestades en forma geomórfica (es decir, física) está preservado en una "escalera" de 184 líneas de playa levantadas isostáticamente en la Bahía de Hudson (Fairbridge y Hillaire-Marcel” 1977, Nature. Vol. 268), que se remontan a más de 8.000 años. Su extraordinaria regularidad está duplicada en otras partes del Ártico, lo que niega cualquier teoría de intervención del azar en los ciclos de tempestades. Su periodicidad media es de unos 45 años, pero aparece una modulación secundaria en 111 años, 317 años, y a mayores intervalos.

La "escalera" de la Bahía Hudson, una típica serie de 184 líneas de la playa elevadas sucesivamente, situadas en le Golfo de Richmond en el lado oriental de la bahía. las playas de grava y arena están preservadas por el permafrost, y se repiten con gran regularidad cada 45 años, representando el ciclo de tempestades. Hay ciclos más largos de 111 años y 317 años evidente en las playas, que están ligados con los ciclos planetarios.


El Efecto de Arrastre de mareas de El Niño

En las regiones tropicales, el sistema de tempestades más prominente se relaciona con el Monzón Asiático. Por más de un siglo, se ha sabido que nevadas extras en los Himalayas eran las precursoras de sequías y hambrunas en la India. El ciclo lunar de 17,6 años se conoce desde hace mucho, pero hay otro factor que ahora se conecta con el fenómeno del El Niño, desplazándose desde el Pacífico Occidental al Océano Índico.

hay una cocnexión entre el Pacífico y el Índico a través de la acción de las mareas. A medida de que el golob gira hacie el Este, la hinchazón de la marea se mueve hacia el Oeste. Sin embargo, en el cinturón tropical esta elevación diurna en el nivel del mar está parcialmente bloqueado por una serie de constricciones físicas, y una disminución de la profundidad del suelo marino en las dos ásgrnades plataformas continentales del mundo (plataformas Sunda y Sahul) que están ubicadas simétricamente al norte y al sur del Ecuador. Desde el Estrecho de Sunda en el oeste, al Estrecho de Torres en el este, la corriente oceánica es casi siempre en dirección del Océano Índico, acelerada con la crecietne marea, y amplificada durante los ciclos lunares.

El agua de cada subida de la marea trae un pulso frío a la baja atmósfera, una secuencia de tal aporte frío corresponde a los ciclos de mareas. Estas estánmoduladas a lo largo de una serie de intervalos de tiempo: quincenalmente, estacionalmente (con los Monzones); anualmente; con los períodos perigeo/syzygy (4 a 8 años); y con la declinación (18,6 años). Una resonancia aproximada de 16:15 ocurre entre el período lunar de 18,6 años y el batido de Saturn-Júpiter. Más aún, hay ciclos lunares amplificadores en 31, 62, 93, 111, 186, y 558 años.

Con una complejidad creciente, estos períodos y sus armónicos interactúan con los de las emisiones solares. Los efectos más prominentes son El Niño y su relacionado ENOS (El Niño/Oscilación del Sur), probablemente forzado por las realimentaciones atmosféricas de la región del "estrangulamiento" Indonnesio/Nueva Guinea. El ENOS ocurre de manera irregularm en intervalos de 2 a 9 años, y destapa forzamientos potenciales del Sol y la Luna. Los forzamientos son en su mayoría fracciones de la serie de cuadraturas planetarias de 4.448 años. Estas aparecen en la 154a cuadratura, 69,50575 años, y tres veces eso en forzamientos de 208,522 años que resultan prominentes en el flujo de carbono-14 de los anillos de árboles.

Para concluir, querría enfatizar que todo el campo de la dinámica planetaria-lunar-solar debe de ser estudiada en relación con los climas terrestres. La suposición hecha por algunos científicos de que el campo del clima está aislado en una bruma, limitado a sólo unas pocas centurias de datos, se descalifica a sí misma. Con miles de años de material esperando a ser analizado, algunos retos hermosos llaman la atención del Siglo 21.


El Dr. Rhodes Fairbridge es Profesor Emérito de Geología en la Columbia University de Nueva York. Nacido en 1914 en la Australia Occidental, estudió geología en Inglaterra y Canadá, terminando en la Universidad de Oxofrd. Sirvió durante la Segunda guerra Mundial como un oficial de inteligencia en el Pacífico Sud Occidental, bajo las órdenes del Gral. Douglas MacArthur. Encuentra de actual interés que su primer trabajo en el extranjero fue en la Petroleum Company de Irak.



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