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Campus Party ColombiaCorferias, Bogotá - Colombia – Junio 23 a 29 de 2008
Bajo un
Sol abraZadorSol abraZadorLa Tierra en el Viento Solar
Jorge Zuluaga, Dr.Grupo de Física y Astrofísica Computacional
Instituto de Física U de AInstituto de Física, U. de [email protected] - http://jzuluaga.blogspot.com
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... abraZador ...
abrasador
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Contenido
Prólogo: el año heliofísico internacionalgIntroducción
A t í d i tAnatomía de un giganteLa heliosfera
La Tierra frente al SolRayos y centellas: Sol y ClimaRayos y centellas: Sol y Clima
Meteorología espacial
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El Año Heliofísico Internacional
• 2007-2009: Año Heliofísico Intenacional (AHI)http://ihy2007.org
• El legado natural Año Geofísico (IGY57) y de los ( ) yAños Polares Intenacionales (IPY83, IPY33)
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El Año Heliofísico Internacional
Objetivos primarios:Ad i U d t di f th H li h i l P th t– Advancing our Understanding of the Heliophysical Processes that Govern the Sun, Earth and Heliosphere
– Continuing the tradition of international research and advancing the legacy on the 50th anniversary of the International Geophysical Year D t ti th B t R l d Si ifi f S d– Demonstrating the Beauty, Relevance and Significance of Space and Earth Science to the World
Eventos relacionados:Eventos relacionados:– Año Polar Internacional IPY 2007-2009
http://www.ipy.org– Año Internacional del Planeta Tierra IYPE
2007-2008http://www.yearofplanetearth.orghttp://www.yearofplanetearth.org
– Año Geofísico Electrónico eGY 2007-2008http://www.egy.org
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Introducción
• El Sol…… Una gigantesca y “aparentemente”
estable fuente de energía
• 95% Energía solar que llega a la Tierra…… Luz y “calor”Luz y “calor”
… el motor de prácticamente toda la dinámica de la atmósfera y la biósferala dinámica de la atmósfera y la biósfera…
• 5% de energía solar llega en formas menos g gevidentes …
… ¿cuáles son sus efectos?
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Introducción
¿Qué tan bien conocemos a nuestra estrella “madre”?
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Anatomía de un Gigante
El Sol en pocas palabras...p p– Esfera de plasma con 200 veces el diametros de
la Tierra y ∼10 millones de veces su volumen– Muy caliente: 15 millones ºC - 6,000 ºC– Alimentado por reacciones de fusión nuclear …
300 000 b b H (1 Mt )/ d… 300,000 bombas H (1 Mton)/segundoEnergía para alimentar a TODA la Tierra por 1 millón de
años– Fuente de radiación electromagnética (luz y
calor), partículas de alta energía, campos magnéticosmagnéticos, ...
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Anatomía de un Gigante
Anatomía solar:– Núcleo: fuente de energía– Manto: inestable hidrodinámicamente,
convecciónconvección……Origen de un poderoso campo magnético
Superficie: Fotosféra fuente de luz– Superficie: Fotosféra, fuente de luz…… burbujeante e inestable magnéticamente
– Envoltura:– Envoltura:• Cromosféra: Enrarecida y caliente (<100,000 C)• Corona: muy caliente (>1 MC)y ( )
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Anatomía de un Gigante
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Anatomía de un Gigante
Fisiología solar:– Dinámica Envoltura: dominada magnéticamente– Fenómenos “atmosféricos”:
M h l t i t d “t b i ”• Manchas solares: materia atrapada por “tuberias” magnéticas (4000 ºC, brillo luna llena)
• Fulguraciones (flares): explosiones de energía g ( ) p gmagnética sobre regiones de manchas…
… 1 millón de veces energía de terremoto!• Prominencias: erupciones en corona de plasma• Prominencias: erupciones en corona de plasma
canalizadas por campos magnéticos• Ejecciones de masa coronal (CME)…
… “eruptos” de plasma (1-10 mil M. de ton) lanzados violentamente al medio inetrplanetario
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Anatomía de un Gigante
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Anatomía de un Gigante
Manchas y granulaciónManchas y granulación
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Anatomía de un Gigante
FulguracionesFulguraciones
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Anatomía de un Gigante
ProminenciasProminencias
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Anatomía de un Gigante
Eyecciones de masa coronalEyecciones de masa coronal
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Anatomía de un Gigante
El Sol tiene un humor variable...El Ciclo Solar
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Anatomía de un Gigante
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Anatomía de un Gigante
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Anatomía de un Gigante
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La heliósfera• Corona solar no esta en equilibrio...
... se expande y extiende de forma turbulenta muchos más allá de las vecindades del Sol
• En realidad preacticamente todo el Sistema Solar esta sumergido en ella...
... Un Sol AbraZador!• A la suma de todo lo que hay en esa extendida
atmósfera solar...... Partículas, campos magnéticos, radiación
HELIÓSFERAHELIÓSFERA
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La heliósfera
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La heliósfera
• La Heliósfera no es estática...... Un flujo permanente de partículas y
campos magnéticos emana del Sol hacia la heliopausaEl i t l• El viento solar:– Partículas cargadas (protones, electrones), velocidades
medias (∼300 km/s = 1 millón km/h)medias (∼300 km/s 1 millón km/h)– Densidad menor que la del más perfecto vacío…
… en 1 cm3 de aire más partículas que en 1000 km3 de p qviento solar
– Viento solar transporta campo magnético solar más allá de su atmósferade su atmósfera
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La heliósfera
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La Tierra frente al Sol
• La heliósfera llena el Sistema Solar e interactúa con los cuerpos que lo constituyen...
... la Tierra misma esta sumergida f t d ll !y es afectada por ella!
• La Tierra tiene 2 barreras o interfaces, que moderan y modulan los efectos del Sol en el planeta:
La magnetósferaLa atmósferaLa atmósfera
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La Tierra frente al Sol
La magnetósfera...– Tierra rodeada de un campo magnético organizado,
aprox. dipolar, fuente en el núcleo del planetaCampo magnético organiza el flujo de partículas– Campo magnético organiza el flujo de partículas cargadas alrededor del planeta...
... Partículas provenientes del planeta y del Solp p y– Campo magnético de la Tierra domina el flujo de
partículas hasta que los campos magnéticos i t l t i (IMF) l á i tinterplanetarios (IMF) se vuelven más intensos
– Cavidad resultante: MAGNETÓSFERADescubierta en 1958 por Explorer 1... Descubierta en 1958 por Explorer 1,
Producto también del IGY 1957
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La Tierra frente al Sol
10 R10 RTT
MagnetocolaMagnetocola200 R200 RTT
Cinturones de Van Allen
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La Tierra frente al Sol
La atmósfera: la envoltura gaseosa de la Tierra…
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La Tierra frente al Sol
¿Qué sucede cuando los efectos de la intensa actividad en lala intensa actividad en la
atmósfera solar (viento solar, erupciones de masa radiación)erupciones de masa, radiación)
interactúan con las interfaces de la Ti l di i t l t i ?Tierra y el medio interplanetario?
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Invitan a:
http://urania udea edu co/cocoa2008http://urania.udea.edu.co/cocoa2008
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Rayos y Centellas
• La relación entre la actividad solar y el clima es li t idampliamente reconocida...
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Rayos y Centellas
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Rayos y Centellas
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Rayos y Centellas
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Rayos y Centellas
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Rayos y Centellas
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Rayos y Centellas
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Rayos y Centellas
¿Incluyen las simulaciones todo lo que deberían incluir?
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Rayos y Centellas
• Existen sin embargo efectos más directos del Sol sobre la Ti d á i di t f tTierra, de más inmediato efecto...
... PROBABLEMENTE peores para nuestra sensible sociedad tecnológicanuestra sensible sociedad tecnológica
• Efecto mejor conocido…… aurora boreal…
– Electrones desde los cinturones de radiación insertados en atmósfera!
– Visibles en latitudes altas (no polos!)– Visibles en latitudes altas (no polos!)
Pero, que puede haber de malo en un poco de luces “artificiales”…
1909: operadores de telegrafía descubren daños en equipo por corrientes eléctricas inducidas por actividad auroral!
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Rayos y Centellas
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Rayos y Centellas
• Aunque magnetosfera y atmósfera parecen proteger Tierra…
… efectos secundarios y directos de interacción ymagnetósfera viento solar y atmósfera radiación solar…
• Importantes efectos actividad humana! (y animal)p (y )
• Condición y estado de los procesos de interacción Tierra• Condición y estado de los procesos de interacción Tierra-Medio interplanetario…
Cli i l ( h )… Clima espacial (space weather)
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Rayos y Centellas
Literalmente…
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Rayos y Centellas
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Rayos y Centellas
EFECTOS EN EL ESPACIOEFECTOS EN EL ESPACIOEFECTOS EN EL ESPACIOEFECTOS EN EL ESPACIO
3 efectos principales:p p
– Exposición astronautas radiación ionizante
– Decaimiento inducido de orbitas satelitales
Alteración o destrucción de electrónica sensible– Alteración o destrucción de electrónica sensible
en plataformas espaciales
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Rayos y Centellas
Exposición a Radiación Ionizante– En alta atmósfera y espacio: fuera de envoltura
protectora– Fulguraciones solares: emisión de radiación
energética y partículas de alta energía …… exposición en el espacio a estas radiaciones
incrementa riesgos de Cancer o pueden prod cir la m erteproducir la muerte
– Durante evento clima espacial flujo se incrementa en factores de 10 000!incrementa en factores de 10,000!
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Rayos y Centellas
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Rayos y Centellas
Decaimiento órbitas satélites…– Absorción de radiación en ionósfera…
… Incrementa temperatura e induce expansión de atmósfera
– Fuerzas de arrastre en satélites aumenta con eventos intensos del clima espacial
– Implica correcciones costosas de órbitas y hasta p yla caída de plataformas (Skylab, ‘79)
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Rayos y Centellas
Destrucción electrónica– Partículas de alta energía que penetran
electrónica de satélites…… destruyen o alteran
elementos electrónicos (Ej. Memorias)… inducen cargas electricas diferenciales y
descargas que destruyen elementos– 1995: Satélite de $5M destruído después de
explosión solar
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Rayos y Centellas
EFECTOS EN LA SUPERFICIEEFECTOS EN LA SUPERFICIEEventos más importantes y dañinos...
Tormentas Geomagnéticas:Tormentas Geomagnéticas:– Intensificación de viento solar por CME…
i t lt ió d t f… intensa alteración de magnetosfera (magnetopausa se reduce a la mitad)…
Campos magnéticos ariables ind cen– Campos magnéticos variables inducen corrientes eléctricas parasitas en atmósfera y en la Tierrala Tierra
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Rayos y Centellas
4 sistemas particularmente sensibles:– Comunicaciones (navegación,
comunicaciones intercontinentales, GNSS, etc.)
– Redes de distribución eléctricas– Sistemas biológicos dependientes de
geomagnetismo– Tuberías de gran escala
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Rayos y Centellas
Comunicaciones– Muchos sistemas humanos dependen de
comunicaciones con ondas EM
– Tormentas Geomagnéticas tienen 2 efectos principales en sistemas de comunicaciones:
• Interferencia directa radioemisión solar y campos EM de tormenta geomagnéticade tormenta geomagnética
• Alteración propiedades EM ionosfera
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Rayos y Centellas
– Sol es poderosa fuente de radio-ondas…• Radio-emision se incrementa durante eventos
intensosSistemas de comunicaciones que dependen de esas• Sistemas de comunicaciones que dependen de esas radioondas reciben interferencia que los hace inoperativos
• Importante efecto: comunicaciones en sistemas de navegación!
M h i t d i ió i– Muchos sistemas de comunicación requieren propiedades particulares ionosfera…
• Comunicaciones intercontinentales: reflexión de radio• Comunicaciones intercontinentales: reflexión de radio ondas en ionosfera
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Rayos y Centellas
• Durante eventos de clima espacial Frecuencia Maxima Usable (MUF) cambia!Maxima Usable (MUF) cambia!…
… señales que dependen de reflexión se ven afectados (estaciones de radio, sistemas de radar de largo
l t )alcance, etc.)• Señales de GNSS (GPS, GLONASS, Galileo) en
ionosfera se refractan…… su trayectoria no es rectilinea lo que debe corregirse
para calcular posición usando sistema• Durante eventos de clima espacial índice de• Durante eventos de clima espacial índice de
refracción de ionosfera se modifica obligando correciones mayores (o falla) de posicionamiento!
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Rayos y Centellas
Redes de distribución eléctricas:– En tormentas geomagnéticas corrientes
eléctricas inducidas en conductores…… Geomagnetic Induced Currents (GIC)
– En sistemas de distribución de energía eléctrica…
… particularmente sensibles a GICs: transformadores que sufren daños temporales o
permanentesM 1989 A d 9 h Q b– Marzo 1989: Apagon de 9 horas en Quebec afectando 9 millones de personas!
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Rayos y Centellas
– Perdidas por tormentas geomagnéticas… … $100s M/año en paises desarrollados
Tuberías:Tuberías:– Largas tuberías hechas de conductores pueden
verse afectadas por GICsverse afectadas por GICs– GICs alteran sensores instaladas a lo largo de
tuberías produciendo lecturas erradas del flujotuberías produciendo lecturas erradas del flujo– GICs favorecen deterioro de la tuberia al
incrementar el ritmo de corrosión
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Rayos y Centellas
Sistemas biológicos:– Algunas aves y abejas dependen de
geomagnetismo para orientación – Ha sido demostrado que palomas pierden 20%
de precisión en orientación durante eventos de li i lclima espacial
– Otros estudios han probado efectos sobre abejasabejas
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Climatología Espacial
Podemos evitar o prepararnos para los efectos p p pdañinos de clima espacial?
SI!SI!Monitoreo permanente del Sol y actividad
solar es realizado por varias plataformas ensolar es realizado por varias plataformas en el espacio y en Tierra…
“constelación” GOES Yohkoh TRACE (Transition… constelación GOES, Yohkoh, TRACE (Transition Region and Coronal Explorer), SOHO (Solar and
Heliospheric Observatory), ACE (AdvancedHeliospheric Observatory), ACE (Advanced Composition Explorer)
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Climatología Espacial
Escalas de tiempo de efectos Sol-Tierra– Radiación electromagnética: 8 minutos
… ionosfera, comunicaciones, radio interferencia– Partíclas: 20 minutos
… exposición peligrosa en el espaciop p g p– Materia producida por CME: 30 a 72 horas
… tormentas geomagnéticas… tormentas geomagnéticas
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Climatología Espacial
Particularmente importante:– Estudio de correlación entre eventos atmósfera
solar y eventos clima espacial– Seguimiento de evolución actividad solar
Estudio estadístico de correlación permite crear predictores…
… indicadores que permiten predecir aparición de efectos a corto (horas) o mediano plazo (semanas)corto (horas) o mediano plazo (semanas)
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Climatología Espacial
Centraliza operaciones de monitoreo... SEC: Space Weather Operations
http://www.sec.noaa.govg– Información en tiempo real de clima espacial
(http://www.sec.noaa.gov/SWN)( p g )– Generación de alertas de clima espacial
http://www.sec.noaa.gov/Data/info/http://www.sec.noaa.gov/Data/info/WWWdoc.html
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Climatología Espacial
– Clasificación de eventos:• Tormentas Geomagnéticas• Tormentas de Radiación Solar• “Apagones” de radio (Radio Blockout)
D t d d t i t i d– Dentro de cada evento existen una serie de categorías bien definidas que permiten identificar los efectos del eventoidentificar los efectos del evento
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G i !Gracias!
Esta conferencia puede ser descargada de:http://urania.udea.edu.co/facom
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Lecturas Recomendadas
Sitios en internet:– http://www.sec.noaa.gov– http://helios.gsfc.nasa.gov/– http://www.windows.ucar.edu/spaceweather/
basic_facts.html– http://www sec noaa gov/Curric 7-12/index htmlhttp://www.sec.noaa.gov/Curric_7 12/index.html– http://solar.physics.montana.edu/ypop/Nuggets– http://snr.unl.edu/metr351-03/twittman/impacts.htmlp p– http://snr.unl.edu/metr351-03/twittman/warmornot.html– http://www2.metoffice.gov.uk/faqs/2.html
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Lecturas Recomendadas
Lecturas:– El Sol y el Cambio Climático: ¿es
incontrovertible la idea de un calentamiento global antropogénico?. Jorge Zuluaga. Innovación y Ciencia, Vol. XIV, No. 4, 2008.
[R f i i l id él][Referencias incluidas en él]– The Sun’s Role in Climate Variations. D. Rind.
Science Vol 296 Pag 605Science, Vol. 296, Pag. 605.– La Historia del Sol y el Cambio Climático.
Manuel Vasquez Mc Graw-Hill (1998)Manuel Vasquez, Mc. Graw Hill (1998)