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VIENTO SOLAR CERCANO A LA TIERRA: INDICADOR
DE VARIACIONES EN LA TEMPERATURA GLOBAL

Dr. Theodor Landscheidt

Schroeter Institute for Research in Cycles of Solar Activity,

Minutas de la 1^a Euroconferencia sobre Tiempo Solar y Espacial (1^st Solar & Space Weather Euroconference), 'El Ciclo Solar y el Clima Terrrestre' ('The Solar Cycle and Terrestrial Climate'), Santa Cruz de Tenerife, Tenerife, España, 25-29 Septiembre, 2000 (ESA SP-463, Diciembre 2000)

Abstracto.

Las variaciones del viento solar cercanas a la Tierra, medidas por el índice geomagnético aa desde 1868 están muy estrechamente correlacionadas con la temperatura global ( r = 0.96; P < 10^-7). La actividad geomagnética precede a la temperatura en 4 a 8 años. Considerando este retraso de las temperaturas, un notable pico aa hacia 1990 podría explicar las altas temperaturas globales de 1988. Después de 1990, la información aa muestra una pronunciada declinación comparable a la declinación entre 1955 y 1967, seguida de una disminución de las temperaturas desde 1961 hasta 1973, a pesar de las crecientes emisiones antropogénicas de CO2. Esto apunta a unas decrecientes temperaturas globales durante los próximos 10 años.

Introducción

El flujo magnético total que abandona al Sol, arrastrado por el viento solar, ha crecido por un factor de 2,3 desde 1901 (Lockwood et al., 1999). De manera concomitante, la temperatura global ha crecido en 0,5ºC. La energía del flujo solar es transferida al ambiente cercano a la Tierra por la reconexión magnética y directamente a la atmósfera por las partículas cargadas. Existen indicaciones de que esta energía tiene efectos meteorológicos a pocos dias después de las erupciones solares que generan corrientes de alta velocidad en el viento solar (Robert y Olson, 1973; King, 1974; Stolov y Shapiro, 1974; Schuurmans, 1979; Prohaska y Willett, 1983; Neubauer, 1983; Bucha, 1983; Herman y Goldberg, 1985; Tinsley, 1996).

Como existe una relación lineal ente el flujo magnético y la irradiancia solar, el aumento de 130% en el flujo magnético solar desde 1901 indica un incremento en el promedio de la irradiancia solar total de 1,65 W m^-2 (Lockwood y Stamper, 1999). El respectivo forzamiento radiativo en la atmósfera es 0,29 W m^-2, correspondiente 0,23ºC a una sensibilidad climática moderada de 0,88ºC/W m^-2. Este aumento de 0,23ºC potencialmente toma cuenta de casi la mitad del cambio en la temperatura global de la Tierra durante el mismo período. Las partículas cargadas y los efectos indirectos del viento solar hacen una fuerte contribución adicional.

Svensmark y Friis-Christensen (1997) han demostrado que la cobertura de nubes global, observada por los satélites, está ligada a la fuerza de los rayos cósmicos galácticos modulados por el viento solar (r = 0,95). Este efecto, atribuido al sembrado de las nubes por partículas secundarias ionizadas (Pruppacher y Klett, 1997), indujeron un cambio en la cobertura nubosa de más del 3% en 3 ½ años. El correspondiente cambio en fuerza radiativa está en el rango de 0,8 a 1,7 W m^-2. Esto es significativo, ya que el forzamiento radiativo total del CO₂ acumulado en la atmósfera desde los tiempos pre-industriales es de unos 1.5 W m^-2. Las mediciones del flujo de rayos cósmicos que registran miones en lugar de neutrones se remontan a 1937. Cuando Svensmark (1988) comparó esta información con las temperaturas del Hemisferio Norte, sus resultados fueron corroborados. Esta conexión está confirmada por observaciones a corto plazo. Las disminuciones Forbush súbitas caídas en el flujo de rayos cósmicos después de 2 días de las enérgicas erupciones solares coinciden con una reducción local de la cobertura de nubes del 3% (Pudovkin y Veretenenko (1995). En el largo plazo, el clima no debería ser afectado si la amplitud del efecto indirecto del viento solar sobre las nubes no cambiase. La fuerza del viento solar, sin embargo, se ha incrementado por un factor de 2,3 desde 1901.

Los efectos directos e indirectos, en conjunto, apuntan a un rol dominante de la actividad solar en los cambios climáticos. De manera concordante, muchas de las recientes publicaciones en este campo de relaciones solare-terrestres califican a la contribución del Sol entre 50 y 100% (Friis-Christensen and Lassen, 1991; Lean et al., 1995; Lau and Weng, 1995; Landscheidt, 1995; Soon et al., 1996; Svensmark and Friis-Christensen, 1997; Reid, 1997; White et al., 1997; Svensmark, 1998; Cliver et al. 1998 a, b; Labitzke, 1999).

Análisis de Correlación

Los contribuyentes más fuertes a la intensidad solar son las enérgicas erupciones del Sol (eyecciones de masa de la corona, fulguraciones, llamaradas, y prominencias eruptivas) que crean las más altas velocidades del viento solar y las ondas de choque que cmprimen e intensifican los campos magnéticos en el plasma del viento solar. Los agujeros en la corona provocan efectos similares. De manera que ello sugiere que es necesario investigar si los períodos de fuertes eyecciones de plasma en el Sol están conectadas con las temperaturas en la Tierra. No todas las erupciones fuertes tienen un impacto osbre el ambiente cercano de la Tierra. El efecto en la Tierra depende de la posición heliográfica de las erupciones y las condiciones en el espacio interplanetario. Los índice de las perturbaciones geomagné-ticas miden la respuesta a esas erupciones que realmente afectan a la Tierra.

Figura 1. Ploteo de dispersión de las medias anuales del índice aa y las anomalías de temperaturas de aire, tierra y mar del Hemisferio Norte 1868-1998. Los datos aa están corridos para compensar por un retraso de 6 años de la temperatura. la inclinación de la línea de regresión y el agregado de la ligeramente suvizada información alrededor del ajuste a la línea recta indican un estrecha correlación (r = 0,75) que es altamente significativa ( P < 10^-7).

El índice de Mayaud aa de la actividad geomagnética (Mayaud, 1973; Coffey, 1958-1999) es homogéneo y cubre el largo período desde 1868 hasta hoy. De modo que lo comparé con las temperaturas. La correlación entre la temperatura y el largo del ciclo de 11 años de las manchas del sol, establecido por Friis-Christensen y Lassen (1991), sólo cubre las temperaturas de tierra y aire. Por ello seleccioné una serie de tiempo que combina a las anomalías en las temperaturas de las tierras del Hemisferio Norte (Jones, 1994) con las anomalías de las temperaturas de la superficie del mar (Parker et al., 1995). Un ploteo de dispersión de los datos crudos anuales muestra una prometedora correlación entre aa y las temperaturas (r = 0.48).

Si hubiese allí una conexión causal, la temperatura debería venir retrasada con respecto al índice aa. De manera que computé los coeficietnes de correlación para diferentes retrasos y encontré que la correlación llega a un máximo cuando las temperaturas retrasan aa en 6 años. El ploteo de dispersión de la Figura 1 se basa en datos aa que fueron desplazados 6 años para compensar el retraso de la temperatura. Los datos fueron sujetos a un suavizado de tres puntos. El ajuste de la línea de menos cuadrados indica una fuerte correlación (r = 0,75), que explica 56% de las variaciones. Esta correlación es altamente significativa. Después del desplazamiento, el registro de medias anuales es reducido de 131 a 125 puntos de datos, ya que los datos perdidos por el desplazamiento no pueden ser reemplazados.

El suavizado de tres puntos, aplicado una vez, reduce el número de datos independientes a 42. La autocorrelación dentro de dos series de tiempo está tomada en consideración disminuyendo el número de los grados de libertad (Schonwiese, 1985) a 35. El método t (Chambers, 1952) rinde t = 6.7. El rechazo de la hipótesis nula está justificado por un alto nivel de significancia: P = 9^. 10^-8.

El ensayo t puede ser aplicado en tanto que las dos series de tiempo están cerca de una distribución normal. El coeficiente de correlación de parámetro de rango libre de Spearman rinde el mismo nivel de significancia. Ensayos aleatorios (Edgington, 1995) y "re-muestreos de booteo" (bootstrap resampling) confirman este resultado.

El gráfico de Trellis de la Fig. 2 muestra la manera en que la correlación de la Fig. 1 varía con diferentes valores de aa. la respectiva subclase de los valores de aa están indicados en la parte superior de los diferentes paneles. Los rectángulos sombreados representan el ancho de la clase respectiva y su subrango dentro del rango aa total. De modo consistente, los valores aa más débiles entre 6,8 y 12,9 (abajo, izq.) no muestran ninguna correlación con la temperatura, mientras que los valores más altos entre 25,6 y 30,6 (arriba, der.) indican la correlación más fuerte. El gráfico Trellis también demuestra la manera en que la correlación se desarrolla a lo largo del tiempo. La correlación más fuerte se concentra en el período desde 1955 hasta el presente. Esto está en contradicción con las afirmaciones en la literatura (Tett et al., 1999) sobre que existió sólo un despreciable efecto de la actividad solar sobre las temperaturas de la segunda parte del siglo 20, y especialmente en las dos últimas décadas.

La correlación entre temperatura y el largo del ciclo solar, establecido por Friis-Christensen y Lassen (1991), cubre sólo la Hemisferio Norte. No hay tampoco una clara indicación de la actividad solar, la causa supuesta, la temperatura más alta, el efecto. Esto también es cierto en una correlación entre datos aa decanuales y las temperaturas halladas por Cliver et al. (1998 a) que corroboran, por otra parte, los resultados presentados aquí, aunque en un menor grado de significancia, ya que está basado solamente en 7 puntos de datos independientes.

Figura 2. Gráfico de Trellis de los datos presentados en la fig. 1. Los paneles muestran ploteos de dispersión para diferentes clases de aa. Los rectángulos sombreados indican el ancho de la clase respectiva y su ubicación dentro del rango total aa. Los valores más débiles de aa (6,8 - 30,6) muestran la correlación más fuerte, cubriendo el período 1955-1998.

El resultado de la Fig. 3 no está expuesto a tales objeciones. El eje vertical a la izquierda mide las anomalías de las temperaturas medias globales, combinando registros de tierra y marinos (Jones, 1994; Parker et al., 1995). El eje de las ordenadas en la derecha indican el índice aa anual original sin ningún desplazamiento. Los datos originales fueron expuestos a repetidos suavizados de tres puntos. Estos datos fuertemente suavizados, cubriendo 1868 - 1985, muestran una muy estrecha correlación entre la actividad geomagnética, generada por corrietnes de plasma de alta velocidad en el viento solar, y las temperaturas globales de tierra y mar (r = 0,96). Esta correlación explica el 92% de la variación.

Figura 3. La curva sólida muestra el índice aa de la actividad geomagnética, la curva de puntos una combinación de anomalías de las temperaturas globales de tierra, aire y superficie del mar. Los datos anuales fueron sujetos a repetidos suavizados de tres puntos. Las temperaturas retrasan entre 4 a 8 años con respecto a aa, pero siguen las ondulaciones de la curva aa. La conexión entre el extremo más alejado de aa y la siguiente temperatura extrema está destacado por números idénticos.
Una perturbación de la correlación hacia 1940 apunta a un forzamiento interno excepcional.

Como este resultado está basado en los datos que se ha demostrado que son altamente significativos, se pueden considerar válidos. La temperatura se retrasa en un promedio de 6 años con respecto a aa. El retraso varía de 4 a 8 años. Los extremos relacionados en las dos curvas están marcados por números idénticos. La curva de temperaturas sigue las ondulaciones de la curva de aa. Hay una sola excepción. Después de 1942, las temperaturas no siguiern más el ascenso de aa y formó un profundo pozo que no emerge en la curva de aa. Una explicación podría ser que entre 1942 y 1952 se observó el más marcado aumento en la actividad volcánica desde 1860 (Simkin et al., 1981).

El retraso de los datos de temperatura sugiere que algo del exceso de energía ligado a la actividad solar está almacenado y acumulado en el sistema climático por procesos que llevan años. La inercia térmica de los océanos podrían ofrecer una explicación. White et al. (1997) han demostrado cómo los océanos responden al exceso de insolación causado por el forzamiento solar, y por qué existe un retraso de varios años que depende del largo del ciclo de actividad solar involucrado. Según Wigley (1988) un ciclo de 80 años de irradiancia rendiría una respuesta de temperatura atmosférica con un retraso de 7 a 9 años. El ciclo secular de la actividad solar, modulando la intensidad del ciclo de 11 años, tiene un largo promedio de 80 a 90 años.

Pronóstico a largo plazo de la temperatura global

Los resultados presentados sugieren que los futuros cambios en la temperatura global pueden ser leídos a partir de los datos aa de punta. La Fig. 4 muestra la curva, suavizada repetidamente, de las anomalías de temperaturas globales de tierra, aire y mar, y los valores de aa después de 1985. hacia 1990, la curva aa alcanzó el máximo más alto desde el comienzo del registro en 1868. Este máximo de aaestá marcado por el número 7. Concediendo un retraso de 8 años, el correspondiente máximo 7 de las temperaturas globales podría haber ocurrido en 1998, con las temperaturas más altas medidas desde el establecimiento de los servicios regulares de meteorología.

Después de 1990, los datos de aamuestran una pronunciada declinación que está en continuación, aunque el actual ciclo de manchas solares ha llegado a su máximo. En el contexto presentado aquí, esto apunta a un enfriamiento global durante la década después del máximo de temperatura 7.

En realidad, la temperatura global de 1999 fue mucho más baja que en 1998, de manera especial en el Hemisferio Sur. Los satélites observaron anomalías negativas. Dado que la relación investigada parece ser sólida, debemos esperar un descenso de las temperaturas por lo menos durante los próximos 10 años. La declinación en la curva de aa después del máximo 7 es más pronunciada que después del máximo 5. De manera que las temperaturas deberían descender a una tasa más rápida que después del máximo de temperaturas 5.

Figura 4. Extensión de la información de la Fig. 3. La curva aa llega a su máximo más alto, marcado por el número 7, alrededor de 1990. Después de 1990, los datos de aa muestran una pronunciada declinación. Concediendo un retraso de 8 años, un máximo en la curva de las temperaturas globales podría haber ocurrido hacia 1998. Este fue el año en que se observaron las temperaturas más altas desde el establecimiento de los servicios meteorológicos internacionales. En 1999, la temperatura fue considerablemente más baja, de manera especial en el Hemisferio Sur. Esta relación apunta a un enfriamiento global de por lo menos 10 años.

Las contribuciones antropogénicas de CO2 no deberían ser un obstáculo para tal descenso, ya que las temperaturas estuvieron bajando desde principios de de la década del 60 hasat principios de los 70, a pesar del rápido ascenso de las emisiones de CO2. El aumento de las temperaturas de superficie desde 1910 hasta 1940 fue más pronunciado y liso que en la actual fase de calentamiento, aunque la tasa de emisiones antropogénicas en ese tiempo era sólo el 10% de las emisiones actuales. En vista de información insuficiente, falta de conocimiento de los complejos procesos de realimentación del sistema climático, y las controvertidas hipótesis, el resultado del experimento de pronóstico debería contribuir a responder la pregunta de hasta qué grado la actividad solar y las contribuciones humanas de gases de invernadero fuerzan a las temperaturas globales.

Problemas de Energía

Willis (1976) ha calculado que el flujo de energía del viento solar es menos de una millonésimas de la potencia electromagnética del Sol depositada en las cercanías de la Tierra. Sin embargo, esta estimación está basada en el área de sección del globo. No toma en cuenta que la energía del viento solar podría penetrar con preferencia en áreas más pequeñas que el disco total, donde puede dominar a otras fuentes de energía. Herman y Goldberg (1978) han demostrado que la energía del viento solar se concentra en las latitudes de un estrecho cinturón circumpolar cerca de la zona de las auroras. En adición, tomando en cuenta la incidencia sesgada del flujo radiante del Sol, ellos calcularon que la potencia disponible del viento solar llegaría al 20% del flujo electromagnético del Sol. Si Svensmark pudiese mostrar en detalle en sus experimentos de laboratorio planeados en cooperación con el CERN, la manera en que los rayos cósmicos galácticos, regulados por el viento solar, afectan al desarrollo de las nubes, entonces hasta deberíamos conceder que la energía de la luz de las estrellas es suficiente para afectar al clima. Los rayos cósmicos y la luz de las estrellas inyectan casi la misma cantidad de energía en la atmósfera.


Referencias