El Sol, su campo magnético y las manchas solares: El campo magnético del Sol [1/2]

Manchas solares en el Sol (Fuente. SOHO (ESA/NASA))

Pocas veces le prestamos al Sol la atención que se merece por ser algo tan cotidiano para nosotros. De vez en cuando nos acordamos de él como, por ejemplo, cuando hay un eclipse de Sol o cuando vamos a hacer una actividad al aire libre y aparecen las nubes. Pero el Sol es mucho más y, además de ser la fuente de energía gracias a la cual existe la vida en la Tierra, es una estrella. Una estrella igual que las que vemos por las noches y que, como esas estrellas, tiene una gran actividad que también suele pasar desapercibida.

Parte de esa actividad se debe a las manchas solares. Quizá uno de los fenómenos más llamativos e interesantes para los físicos solares, astrónomos aficionados y todo aquel que haya tenido la oportunidad de ver el Sol, proyectado en una pantalla blanca o una pared, a través de un telescopio.

La manchas solares son zonas más frías de la superficie el Sol. Mientras que la superficie del Sol está a una temperatura de aproximadamente 5778 K (5504,85 ^oC), las manchas solares están a una temperatura de entre 1500 K a 2000 K (1226,85 ^oC a 1726,85 ^oC)

Pero, ¿por qué se producen las manchas solares?

El motivo es por el campo magnético del Sol. Para entender el campo magnético del Sol te tienes que olvidar de los típicos imanes que has visto y que, probablemente, tengas en la puerta de tu frigorífico.

Pero primero, haz un sencillo experimento con uno de los imanes que tengas en el frigorífico. Coge un clavo de hierro y, con mucha paciencia, rállalo hasta que tengas un montón de virutas de hierro. Esparce esas virutas encima de un folio en blanco y pon el imán debajo del folio. Verás que todas esas virutas se empiezan a reorganizar hasta formar una figura como la siguiente.

Virutas de hierro en el seno de un campo magnético (Fuente. Wikipedia)

Puedes ver que las virutas se sitúan a lo largo de unas líneas que salen del polo norte del imán y van hacia el polo sur del mismo. Son las líneas del campo magnético.

Por otro lado, un campo magnético también se genera cuanto tenemos una corriente eléctrica, es decir cuando tenemos cargas eléctricas que se mueven, estas hacen que se genere un campo magnético. Y esto es lo que pasa en el Sol. Ahí no tenemos imanes como los del frigorífico, pero sí un montón de cargas eléctricas moviéndose que hacen que aparezca ese campo magnético.

En realidad es algo más complicado, así que vamos a verlo con calma.

El Sol, al igual que todas las estrellas, está formado está formado por gases. Esto hace que no se comporte como un sólido, sino como un fluido. Cuando un fluido rota, tiene una característica que lo distingue de los sólidos y es que diferentes partes de ese fluido rotan a diferentes velocidades. En el Sol, ocurre esto y provoca que en el ecuador, y las regiones cercanas, la velocidad sea mayor que en los polos.

Al mismo tiempo, el Sol no es una estructura homogénea, es decir, está formado por diferentes capas, desde el núcleo dónde se genera la energía, hasta las capas más externas como la fotosfera, que es la capa que vemos cuando miramos al Sol, o incluso más allá de la fotosfera, donde se encuentran otras capas como son la cromosfera, que solo la podemos ver con filtros especiales o en eclipses de Sol, y la corona que todavía sigue siendo un misterio ya que no sabemos por qué la temperatura es tan alta en ella.

Estructura del Sol (Fuente. Wikipedia)

Por debajo de la fotosfera, el transporte de la energía y la radiación, que se genera en el núcleo a través de reacciones de fusión nuclear, se realiza de dos maneras. En la zona más cercana al núcleo se encuentra una zona radiativa, en la que la energía se transporta por radiación, es decir, los fotones generados en las reacciones nucleares son absorbidos y reemitidos muchas veces, durante años, hasta que llegan a la siguiente capa. En la zona más cercana a la fotosfera, el transporte se realiza por convección en una zona llamada zona convectiva. En la zona convectiva, el transporte es turbulento e inhomogéneo.

Para entender el campo magnético del Sol la convección es importante, así que vamos a detenernos un poco con ella.

La convección se produce porque cuando un fluido se calienta, sus moléculas se aceleran y su temperatura aumenta. Esto hace que la densidad disminuya y “pesen” menos por lo que ascienden. Al ascender, se enfría y las moléculas se desaceleran por lo que descienden.

En el Sol, el gas de la zona convectiva que está más cercano a la zona radiativa se calienta más, ya que la temperatura es mayor, y asciende. Cuando llega a la zona cercana a la fotosfera, más fría, el gas se enfría y vuelve a descender. Estos gases, que se están moviendo por convección, son eléctricamente conductores. Es decir, son cargas eléctricas que se están moviendo.

Ya casi estamos a punto de entender como se produce el campo magnético en el Sol y de paso hemos descrito su estructura interna porque, como casi todo en ciencia si quieres entender algo tienes que estudiar también todo lo que rodea a ese algo, si no sólo conseguirás una visión sesgada e incompleta de lo que realmente sucede.

Recapitulemos. Tenemos un Sol que rota como un fluido y, por lo tanto, tiene una rotación diferencial. También tenemos una zona en la que hay un movimiento de cargas eléctricas. Si recordamos que el movimiento de cargas eléctricas genera un campo magnético, vemos que tenemos un campo magnético que se genera y se mantiene gracias a la rotación diferencial. Es decir, tenemos una dinamo.

¿Cómo funciona esta dinamo?

La convección hace que las líneas de campo magnético, las líneas según las cuales se orientaban las virutas de metal sobre el folio, se orienten a través de los meridianos del Sol, es decir, generan un campo magnético poloidal que se orienta de norte a sur. Sin embargo, la rotación diferencial hace que, en las zonas más cercanas al ecuador del Sol, el campo magnético se deforme hasta que adquiere una forma toroidal o, en un lenguaje menos topológico, una forma de rosquilla. Es decir, la rotación diferencial hace que el campo magnético se oriente en la dirección de los paralelos del Sol, de este a oeste.

Ahora tenemos un campo toroidal que está inmerso en una zona de convección y que, dependiendo de si las zonas convectivas están localizada en el ecuador o los polos del Sol, gira a una velocidad diferente. ¿Qué es lo que pasa ahora? Que, como siempre, todo es más complicado, ya que hay que tener en cuenta algo que seguro habrás escuchado alguna vez: las fuerzas de Coriolis.

Efecto Coriolis debido a la rotación de la Tierra según la latitud (Fuente. Wikipedia)

Las fuerzas (ficticias) de Coriolis hacen que, cuando una gran masa se mueve en una dirección norte-sur en el seno de un cuerpo que está girando, debido a la rotación del cuerpo, esta se desvíe hacia el este o el oeste. En la tierra lo vemos a menudo cuando tenemos grandes tormentas y vemos que las nubes giran en sentido de las agujas del reloj si estamos en el hemisferio norte y contrario en el hemisferio sur (los Simpsons ya demostraron que el agua no se va en un desagüe en el sentido contrario de las agujas del reloj por mucho que queramos).

El campo magnético toroidal que teníamos, debido a las fuerzas de Coriolis, intenta volver a recuperar su forma poloidal, es decir se retuerce hasta conseguir esa forma. Esta forma poloidal del campo magnético dará lugar a las manchas solares, pero lo veremos en el siguiente artículo.

a) Campo magnético poloidal. b) Campo magnético poloidal que se vuelve toroidal debido a la rotación diferencial. c) Campo magnético toroidal que se vuelve poloidal en los extremos debido a la fuerza de Coriolis (Fuente. El Sol y la Tierra, una relación tormentosa)

Jorge Bueno

Para saber más sobre el Sol:

Astrofísica. Manuel Rego y María José Fernández. EUDEMA Universidad

El Sol. Nuestra estrella, nuestra energía. Rafael Bachiller.

Nota: por favor, no mires al Sol sin los filtros adecuados o proyectándolo en una pantalla, es peligroso, te puedes quemar la retina y quedarte ciego.

Hablando de Ciencia