Especulaban que las manchas eran nubes flotando sobre la superficie
que cerraban el paso a algo de luz. Ahora sabemos que las manchas son más
oscuras que su alrededor porque están moderadamente más frías,
ya que sus intensos campos magnéticos hacen rebajar
de algún modo el flujo local de calor desde el interior del Sol.
El proceso que causa esto es aún poco claro.
El magnetismo de la rara "magnetita" natural era conocido por los antiguos
griegos, supuestamente observada por primera vez en la ciudad de
Magnesia, de donde viene su nombre. La brújula (un descubrimiento
chino) fue usada por Colón y otros antiguos navegantes, pero no
fue hasta 1820 que el profesor danés Hans Christian Oersted (foto
de la izquierda), encontró por casualidad que la corriente eléctrica
en un hilo podía desviar la cercana aguja de una brújula
(pulse aquí
para una historia completa). Un francés, André-Marie Ampere,
mostró pronto posteriormente que el fenómeno básico
del magnetismo era la fuerza entre dos corrientes eléctricas
en hilos paralelos; se atraen mutuamente cuando discurren en la
misma dirección y se repelen cuando son opuestas (pulse
aquí
para una exposición más detallada).
Al igual que las líneas de latitud y longitud nos ayuda a visualizar
las posiciones sobre el globo terrestre, las líneas
del campo magnético (denominadas en principio por Michael Faraday líneas
de fuerza) nos ayudan a visualizar la distribución de las fuerzas
magnéticas en el espacio tridimensional. Imagine la aguja de una
brújula que pueda girar libremente en el espacio hacia donde la
fuerza magnética intenta dirigirla. Las líneas de campo magnético
son líneas imaginarias que marcan la dirección hacia donde
apuntará la aguja.
La aguja de la brújula, por ejemplo, tiene dos polos magnéticos
de igual fuerza en sus extremos, el polo norte (N) y el polo
sur (S), denominados así por las direcciones de la Tierra hacia
donde apuntan. Suponga que la aguja está libre para señalar
hacia cualquier lugar tridimensional. Si se coloca cerca del polo norte,
apuntará siempre hacia el polo y las líneas de campo
convergirán allí (vea el dibujo). Si se coloca cerca
del polo sur, apuntará siempre hacia fuera de él y las líneas
de campo divergirán de allí, saliendo de la Tierra
en una forma que es una imagen especular de la del polo norte. Con la líneas
formando grandes arcos sobre el ecuador terrestre y con sus extremos anclados
en los hemisferios opuestos.
Cualquier barra imantada tiene un modelo de líneas de campo magnético
como el de la Tierra, sugiriendo que la Tierra se comporta como tuviese
en su interior una barra imantada corta pero muy potente. Realmente esa
barra no existe, el modelo se origina por corrientes eléctricas
en el centro de la Tierra que cambian lentamente, año a año;
aunque la "barra imantada terrestre" continúa siendo útil
como ayuda para la visualización.
Cuando dos barras imantadas se juntan, sus polos (N,S) se atraen y sus
Polos (N,N) y (S,S) se repelen: así si se ocultase una barra imantada
dentro de la Tierra, su polo S sería el que apuntase hacia
el norte,
atrayendo al polo N de la aguja de la brújula. Este
extraño lío de terminologías confunde a menudo a los
estudiantes: es mejor reconocer que existe ese lío y luego ignorarlo.
Michael
Faraday que a comienzos de los años 1800s introdujo el concepto
de líneas de campo magnético, creía que el espacio
en el que se podían observar las fuerzas magnéticas estaba
modificado de alguna manera. Era algo así como una visión
mística, pero los posteriores desarrollos matemáticos la
encontraron útil y hoy en día nos referimos a tal región
como un campo magnético.
El Ciclo de las Manchas Solares
Las manchas solares fueron estudiados por Scheiner y Galileo a principios
de los años1600s (para una historia detallada pero larga, vea aquí),
y luego ocurrió algo extraño: durante unos 70 años
(1645-1715) se convirtieron en una rareza. Algunos conjeturaron que el
tiempo inusualmente frío de esos años estuvo relacionado
a su desaparición, pero en cualquier caso, cuando se volvieron a
producir la atención de los astrónomos se dirigía
a otros lugares. Fue solo en 1843 que un astrónomo amateur alemán,
un farmaceútico llamado Heinrich Schwabe, observó
su más famosa característica: su número crece y se
reduce en un ciclo algo irregular que dura unos 11 años. Para ver
narración completa del descubrimiento de Schwabe, pulse aquí.
Desde entonces los observadores han seguido cuidadosamente los ciclos
de las manchas y también han reconstruido ciclos anteriores de observaciones
disponibles, definiendo un buen índice del "número de manchas"
para medir su nivel de actividad. La naturaleza de las manchas no fue conocida
hasta1908, cuando George Ellery Hale, usando un instrumento que observaba
el Sol en las estrechas bandas de color emitidas por substancias seleccionadas,
informó que la forma en que la luz de las manchas estaba modificada
indicaba que se producía por intensos campos magnéticos.
Los cambios de dirección de los campos de manchas parecen ser
tan intensos como los que encontramos cerca de los polos de los imanes
de hierro, pero extendiéndose por regiones de muchos miles de kilómetros
de ancho. En unidades convencionales, la intensidad magnética allí
alcanza unos 1500 gauss (0.15 Tesla), mientras que el campo cerca de la
superficie de la Tierra es normalmente de 0.3-0.5 gauss, dependiendo del
lugar. En el espacio interplanetario de la órbita terrestre, el
campo magnético (transportado desde el Sol por el viento solar)
es mucho más débil, normalmente 0.00006 gauss, mientras que
en las órbitas de los planetas exteriores, es aún unas 20
veces más débil. Allí todavía los instrumentos
de un vehículo espacial como el Voyager 2 continúan midiendo
de forma fiable.
Las manchas presentan muchos rasgos interesantes. Generalmente (aunque
no siempre) aparecen en pares, con polaridades magnéticas opuestas.
En la mitad de los ciclos solares, la "primera" mancha (en la dirección
de la rotación del Sol) tiene siempre polaridad N y la mancha "siguiente"
polaridad S, pero en el ciclo siguiente, las polaridades siempre se invierten.
El campo magnético general, que produce los polos norte y
sur magnéticos también invierte su polaridad cada ciclo.
La inversión se produce normalmente 3 años después
del mínimo de manchas. Todo esto sugiere que el ciclo de 11 años
es un fenómeno magnético. Los astrónomos creen que
las corrientes eléctricas que fluyen en el plasma solar y crean
esos campos toman su energía de la desigual rotación del
Sol, más rápida en el ecuador, que en sus giros está
impulsado por flujos de gas solar a gran escala.
Actividad Solar
El "espectroheliógrafo" de Hale, inventado en 1892 para observar
el Sol en estrechas bandas de color, permite observar un nuevo tipo de
fenómenos completamente diferentes. Muchos están asociados
con las manchas solares, p.e. las nubes brillantes o "plages" (playas en
francés) en la cromosfera, vistas en la luz emitida por el resplandeciente
hidrógeno. Estos métodos también hacen posible observaciones
limitadas de la corona interior, fuera de los momentos de eclipse total
solar. Y revelan cambios mucho más rápidos que los observados
previamente en las manchas, algunos de los cuales causan interesantes efectos
magnéticos en la Tierra.
Entre los más rápidos y más significativos están
las fulguraciones, iluminaciones de la cromosfera cerca de un grupo
de manchas, que surge en minutos y que normalmente dura 10-30 minutos.
La fulguraciones se observan normalmente en la luz roja emitida por
el hidrógeno caliente (Hα o "línea
H-alfa"), pero ocurre que la primera observación en 1859 fue una
rara "fulguración blanca brillante" observable mediante un telescopio
ordinario (vea aquí
y aquí
para la historia completa). Le siguió 17 horas más tarde
una enorme tormenta
magnética , una perturbación a nivel mundial del campo
magnético de la Tierra: aparentemente algo fue expulsado
desde el Sol y necesitó ese tiempo para alcanzar la Tierra.
Ahora sabemos que ese "algo" fue probablemente una nube de plasma en
veloz movimiento, avanzando sobre el viento solar normal que tarda 4-5
días en cubrir la misma distancia. La llegada a la Tierra de tales
nubes, con la onda de choque que genera por delante, puede ser muy impresionante.
(vea una historia aquí
).
El aspecto más destacable de esta actividad es la velocidad con
que tiene lugar. Si una fulguración normal se extiende sobre 10,000
Km. en 10 minutos, se debe propagar a mucha velocidad. Alguna de sus características
comienzan mucho más bruscamente, p.e. los rayos X asociados (observables
desde el espacio) pueden elevarse en unos pocos segundos. Todo esto sugiere
que esa fuente de energíano es el calor del Sol, que se extiende
y cambia de forma gradual, sino el intenso campo magnético de las
manchas solares. (Para saber más sobre esta materia, vaya aquí.)
Galileo y Christopher Scheiner observaron manchas solares sobre la cara del Soly por su movimiento dedujeron que el Sol giraba , con un período de 27 días en las cercanías del ecuador, relativo al movimiento de la Tierra (25 días, relativo a las estrellas). El período se incrementaba hasta los 29.5 días en latitudes altas, mostrando que la superficie del Sol no es sólida.