Hora de Córdoba
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Influencia de los Rayos Cósmicos
en el Clima Terrestre

Henrik Svensmark,

Instituto Danés de Investigación Espacial,
Julian Maries Vej 30, DK.2100 – Copenhague
http://www.dsri.dk/~hsv/Noter/solsys99.html
La Heliosfera

Abajo hay una imagen que ilustra a la Heliosfera, la parte del espacio que está directamente afectada por el Sol a través del viento solar. Es la estructura magnética del viento solar quien hace de escudo contra las enérgicas partículas de los rayos cósmicos. Las variaciones en el viento solar (o en la actividad solar) cambia el flujo de los rayos cósmicos que llegan hasta la Tierra.

Fig. 1: La Heliosfera

El campo magnético del Sol está entretejido dentro del viento solar. (El viento solar está compuesto de una corriente continua de partículas -un plasma- de manera principal de protones y electrones que se “evaporan” de la atmósfera solar). [Es la colisión entre un cometa y el viento solar lo que produce la cola del cometa]. El viento solar se expande a lo largo y ancho del sistema solar, hasta que cambia de velocidad supersónica a sub-sónica en lo que se conoce como el shock Terminal.

Se cree que la distancia es de uso 200 AU. Esta parte del espacio es llamada la Helios-fera, y comprende a todo el sistema solar (La distancia media de Plutón es 39 AU). A causa de la estructura magnética de la He-liosfera, sólo algunas de las partículas de los rayos cósmicos galácticos (RCG) penetran hasta la parte interior del sistema solar; en otras palabras, el campo magnético de la Heliosfera en la atmósfera actúa como un escudo.

Si la actividad solar fuese constante, el flujo de RCG sobre la Tierra sería constante. Pero a causa de que la actividad del sol cambia con el ciclo solar (Cada 11 años el campo magnético del Sol se invierte, significan-do que el verdadero ciclo solar es de unos 22 años), el flujo de los RCG varía de acuerdo con el ciclo solar. Cuando el sol es activo el campo magnético es “más fuerte” y también lo es el escudo, y como resultado menos RCG llegan hasta la vecindad de la Tierra.

Cuando la actividad del Sol es baja, el escudo es más débil, y llegan más RCG. La modulación de los RCG depende, por supuesto, de su energía. Mientras mayor se la energía de las partículas, menor es la modula-ción que sufren por el ciclo solar. (Nota: las partículas solares en el viento solar tienen una energía mucho menor que los RCG).

(Algunas propiedades adicionales del plasma del viento solar se pueden hallar aquí)

El efecto de la arriba mencionada modulación solar puede verse en la figura 2. Los registros instrumentales de los rayos cósmicos comenzaron alrededor de 1935. Las primeras mediciones se hicieron principalmente con cámaras de ionización, que miden primariamente el flujo de muones. Los muones son responsables de la mayor parte de la ionización en la parte inferior de la troposfera. La figura 2 también está ploteada la infor-mación del monitor Climax de neutrones (1935-1955) en Colorado, que mide la parte de baja energía nucleó-nica del espectro RCG.

Para una comparación, se plotea el número relativo de manchas del sol, que siguen de cerca al flujo solar de 10,7 cm. Nótese que las amplitudes del ciclo de actividad solar y las amplitudes del RCG no están estre-chamente relacionadas, lo que es una suerte dado que permite hacer la distinción entre las tendencias a largo plazo de ambas. Como se mostrará en el próximo párrafo, la actividad solar no sólo está variando en escala de tiempo decadal, sino que también lo hace a escalas de tiempo mucho más largas.


Figura 2: La curva superior es el flujo de rayos cósmicos del monitor de neutrones en Climax, Colorado (1953-1996). La curva del medio es la variación media anual del flujo de rayos cósmicos medido por las cámaras de ionización (1937-1994). La información sobre neutrones fue normalizada a Mayo 1965, y la información de las cámaras de ionización fue normalizada a 1965. La curva inferior es el número relativo de manchas del sol. Nótese que, mientras que existe una calara modulación del flujo de rayos cósmicos por el ciclo solar, la amplitud no está bien correlacionada.

La Actividad Solar y el Clima de la Tierra

Por más de cien años hubo informes sobre una aparente conexión entre la actividad solar y el clima de la Tierra. El famoso científico de Londres, William Herschel, sugirió en 1801 que el precio del trigo estaba controlado directamente por la cantidad de manchas en el sol, basado en sus observaciones de que llovía menos cuando había pocas manchas de sol. Desde entonces, los informes de muones han indicado una relación ente la actividad solar y el clima, de los cuales la mayoría estaban basados en observaciones regionales que, en algunos casos, dieron resultados conflictivos.

Se sabe hoy acerca de la actividad solar en tiempos muy lejanos gracias a la producción de isótopos en la atmósfera por parte de los rayos cósmicos galácticos. De esos registros se obtiene un acuerdo cualitativa-mente impactante entre los períodos climáticos cálidos u la actividad solar baja y alta, durante los últimos 10.000 años. En la figura 3 se muestra la variación en la producción de C14 durante el último milenio.

Desde el año 1000 al 1300, la actividad solar era muy grande, lo que coincidió con el Período Cálido Medie-val. De hecho, fue en este período que los Vikingos se instalaron en Groenlandia. Después de 1300, la acti-vidad solar decreció notablemente y sobrevino un largo período frío llamado ahora la Pequeña Edad de Hielo. Este cambio en el clima fue un desastre para los vikingos.

La Pequeña Edad de Hielo duró hasta mediados del Siglo 19. Durante el Siglo 20 la actividad solar se volvió a incrementar y llegó al final del siglo como la más alta en los últimos 600 años.

Figura 3: Producción de C14 durante los últimos 1000 años

La variación en la producción de C14 está causada por los cambios en la actividad solar. Cuando el sol está muy activo, la producción de C14 es baja, debido al efecto de escudo del viento solar sobre los rayos cós-micos. Debe notarse que el eje para la producción de C14 está invertido. El Mínimo Maunder se refiere al período 1645-1715, cuando muy pocas manchas se observaron sobre la superficie del sol. Durante este pe-ríodo la producción de C14 fue muy alta, en total acuerdo con la baja actividad solar.

Una Posible Influencia Sobre las Nubes de la Tierra

Recientemente se encontró que la cobertura de nubes de la Tierra, observada desde los satélites, está fuertemente correlacionada con el flujo de rayos cósmicos galácticos (RCG). Las nubes ejercen influencia sobre las propiedades radiativas verticalmente integradas de la atmósfera al enfriarla por medio de la refle-xión de la radiación de corta longitud de onda (luz solar), y por medio del calentamiento al atrapar a la radiación de onda larga (radiación térmica). El impacto radiativo neto de una nube en particular depende principalmente de su altura sobre la superficie y su espesor óptico. Las altas nubes óptimamente delgadas tienden a calentar la atmósfera, mientras que las nubes óptimamente gruesas tienden a enfriarla.

Con una estimación actual del forzamiento climático neto enfriador de la cobertura nubosa global de 17-35 W/m2, las nubes juegan un papel importante en el balance radiativo de la Tierra. Por ello, cualquier influen-cia solar significativa sobre las propiedades de las nubes puede ser potencialmente muy importantes para el clima de la Tierra.

Figura 4: figura compuesta mostrando los cambios en la cobertura nubosa de la Tierra a partir de conjuntos de datos de los satélites, junto con flujos de rayos cósmicos de Climax (curva sólida, normalizada a Mayo 1965), y del flujo solar de 10,7 cm (línea de rayas, en unidades de 10-22 Wm-2Hz-1).

Los triángulos son los datos del Nimbus-7, los cuadrados son del ISCCP_C2 y ISCCP_D2, los rombos son los datos de DMSP. Toda la información mostrada ha sido suavizada usando una media corrida de 12 meses. La información Nimbus-7 y DMSP son la cobertura nubosa total para el Hemisferio Sur sobre los océanos, y la infmracoión ISCCP ha ido derivada de satélites geoestacionarios sobre los océanos, excluyendo a los trópi-cos.

En la Figura 4 la información de las nubes se compara con la variación del flujo de RCG y el flujo de 10,7 cm del Sol. Uno puede ver que hay claras diferencias entre la variación del flujo de RCG y el flujo de radio. Des-de 1987 hasta el presente, ambos se siguen entre ellos. Sin embargo, hay un retraso de dos años entre ambos antes de 1987. Lo que es crucial en este contexto es que la cobertura nubosa de la Tierra sigue las variaciones de los RCG. Esto es importante porque indica que es la ionización de la atmósfera producida por los RCG el eslabón esencial entre el sol y el clima, y no necesariamente las variaciones en el flujo de radio de 10,7 cm, quien sigue estrechamente las variaciones en la irradiancia solar total, rayos-X blandos, y radiación ultravioleta. Para una variación de la cobertura nubosa de un 3% durante un ciclo solar promedio de 11 años, una cruda estimación de este efecto es de 0,8 a 1,7 W/m2. Esta es una cantidad significati-vamente importante comparada con el forzamiento radiativo total del aumento en la concentración de CO2 desde 1750, lo que está estimado en 1,5 W/m2 (IPCC, 1995).

Al presente, no hay una comprensión detallada del mecanismo microfísica que conecta a la actividad solar con la cobertura nubosa de la Tierra, aunque se cree que la ionización producida por los RCG afecta la microfísica de la formación de nubes.

Nota de FAEC: este mecanismo fue finalmente demostrado por Svensmark et al en los experimentos realizados durante 2006, y sus resultados publicados en el estudio de Octubre e 2006).

En la tabla que sigue hay algunas constantes útiles que dan una idea del tamaño de las diversas influencias.

S Constante Solar (a 1 AU) 1360 W/m2 S/4
Parte superior de la atmósfera340 W/m2
S/4 (1 - a ) Albedo de la Tierra a = 0.3235 W/m2
1% Cambio en el albedo de la Tierra1 W/m2
Efecto radiativo estimado del aumento de CO2 desde 1750 al presente1.5W/m2
Duplicación del CO24 W/m2
Efecto radiativo de las nubes (enfriamiento) 17- 35 W/m2

Algunas referencias

Estudios
  1. Variation of Cosmic Ray Flux and Global Cloud Coverage - a Missing Link in Solar-Climate Relationships, por Henrik Svensmark and Eigil Friis-Christensen, Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 59 (11) (1997) 1225-1232. Una separata del artículo se puede hallar aquí

  2. Influence of Cosmic Rays on Earth's Climate, por Henrik Svensmark, Physical Review Letters - November 30, 1998 - Volume 81, Issue 22, pp. 5027-5030. Una separata del artículo en Postscript se puede hallar aquí (440 kb) Una separata del artículo en formato PDF se puede hallar aquí (220 kb)

  3. Cosmic rays and Earth's Climate, por Henrik Svensmark, Este paper es una version más extensa del estudio de más arriba en el Physical Review Letter. El paper contiene un interesante gráfico relacionado con el período del Mínimo de Maunder 1645-1715. Space Science Review 93: 155-166, 2000. Una separata del artículo se puede hallar aquí  (pdf)

  4. Low Cloud Properties influenced by Cosmic Rays. por Nigel Marsh and Henrik Svensmark, Physical Review Letter, December 4, 2000 - Volume 85, Issue 23, pp. 5004-5007. Una separata del artículo se puede hallar aquí

  5. Cosmic Rays, Clouds, and Climate, by Nigel Marsh and Henrik Svensmark, Space Science Review, (In press). Una separata del artículo se puede hallar aquí (pdf 4.9 Mb)

  6. Reply to comments on "Variation of cosmic ray flux and global cloud coverage --- a missing link in solar--climate relationships, by Henrik Svensmark and Eigil-Friis-Christensen Journal Of Atmospheric And Solar-terrestrial Physics Vol. 62 (1) pp. 79-80. Una separata del artículo se puede hallar aquí.

  7. GCR and ENSO trends in ISCCP-D2 low cloud properties, by Nigel Marsh and Henrik Svensmark, Journal of Geophysical Research, (En prensa). Una separata del artículo se puede hallar aquí

    Un taller sobre Interacciones Iones-Aerosoles-Nubes fue realizado en el CERN, 18-20 ABril, 2001. El objetivo del taller interdisciplinario fue revisar al conocimiento actual de las interacciones iones-aerosoles-nube y su posible rol en la variabilidad solar-clima. Las conclusiones del taller se pueden encontrar IACI_conclusions.pdf, aquí (pdf)

    LA PROPUESTA NUBES

    Se ha enviado una propuesta a la Organización Europea de Investigación Nuclear (CERN). La intención es probar experimental el eslabón entre los rayos cósmicos y el clima. El Proyecto CLOUD es una colaboración internacional entre unos 60 científicos de 17 instituciones científicas del mundo y de 10 países.

    La propuesta CLOUD consiste en tres documentos que pueden hallarse en el archivo de separatas de Los Álamos. El primer documento contiene una introducción instructiva al problema de la influencia solar sobre el clima.

    1. Estudiando una relación entre los rayos cósmicos y las nubes con una cámara de nubes en el CERN (107 páginas)

    2. Anexo a la Propuesta CLOUD (26 páginas)

    3. CLOUD: una instalación de investigación atmosférica en CERN (18 páginas)

    INFORME ANUAL CARSLBERG

    Un corto artículo escrito en Dinamarqués para el Informe Anual Carlsberg se puede hallar aquí: aquí

    Las láminas de las proyecciones (overheads) usadas para:"Solsystems fysik: 2002" se pueden hallar aquí

    Conferencia Brijuni 2002 se pueden hallar aquí

    Video de Eyecciones de Masa de la Corona pr SOHO: se hallan aquí.

    Video de Radiación Ultravioleta del Sol, observada por SOHO, (5 Mb) se halla aquí.

    NOTAS

    Breves notas sobre rayos cósmicos y el clima del curso del sistema solar 2001 se puede hallar aquí.


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