DETERMINACION DE LOS PERIODOS DE MINIMA ACTIVIDAD SOLAR EN TERMINOS DEL NUMERO DE MANCHAS SOLARES

Elio Roca Flores elioroca@gmail.com, Ayotzinapa, mayo 2015

“Seamos realistas y hagamos lo imposible” Ernesto Che Guevara

RESUMEN

La actividad solar se puede catalogar en 3 tipos: mínima, máxima e intermedia. Durante los mínimos

de actividad solar la actividad ciclónica Atlántica muestra ciclicidad (Rojo 2015), diversos parámetros

de los ciclones Atlánticos muestran alta correlación con el número de las manchas solares SSN

(sunspot number) (Hutton, 2013) y en la Península de Yucatán al menos un ciclón toca tierra por año

y se presenta sequía en el Noroeste de México (Buendía 2011). El presente análisis determina los

periodos para los mínimos solares, no en términos de la cantidad total anual de manchas solares

(Hutton, 2013), si no como las temporadas que comienzan el mes con manchas solares totales igual

o menor a 10 y terminan con el último mes con 10 o menos manchas solares, el valor mensual de 10

se propuso ya que, por definición de SSN, 10 o menos representa eventos aislados, es decir no hay

grupos de manchas solares. Con el anterior criterio encontramos periodos de mínimo solar

estructurados que muestran que a principios de los dos últimos siglos, los mínimos solares se alargan

durando dos ciclos consecutivos 5 o más años. Suponiendo continúe esta tendencia y teniendo que el

primer mínimo solar de este siglo fue del 2005 al 2010 esperaríamos que el próximo mínimo comience

en diciembre del 2018 y que su duración sea de 5 años. También se observó existe una relación

inversamente proporcional entre la duración del mínimo solar y el valor de SSN del máximo solar

siguiente.

ANTECEDENTES

Manchas solares

Una mancha solar es una pequeña región oscura del Sol, suele presentarse en parejas, usualmente aparecen en grupos, aparecen en ambos hemisferios del sol en latitudes que van desde los 5° a los 40°, las más pequeñas tienen un diámetro comparable al de la Tierra (1,200km), las más grandes pueden llegar a tener diámetros tres veces el diámetro de la Tierra, excepcionalmente en 1858 y 2014 se registraron diámetros de casi 20 veces el diámetro de la Tierra. Los grupos de manchas en ocasiones pueden ser tan grandes como de un sexto del diámetro del Sol. Una mancha individual pequeña puede durar un día o menos, mientras que las manchas grandes y los grupos pueden estar presentes durante tres o cuatro meses. (Osorio 2005 p 14) Casi no se hicieron observaciones de las manchas solares en la antigua Grecia y en el milenio posterior en occidente, debido que Aristóteles sostenía que el Sol era perfecto, a pesar de que su discípulo Teofrasto de Atenas (370-290 a.C.) hizo referencia a este fenómeno en el siglo IV a.C. (Tress 2013 p 23) La descripción escrita más antigua de una mancha solar fue hecha en la antigua China por Kan Te, que vivió en el siglo IV a.C. y la primera mancha solar fechada fue en 165 a. C. en la enciclopedia china El océano de jade. Entre los años 28 a. C. y 1638 d. C. los chinos registraron 112 eventos de manchas (FIGURA 1). (Temple 1988 p 9)

FIGURA 1. Ilustración de manchas solares en el manuscrito Ensayo sobre los presagios astronómicos

y meteorológicos (1425) del emperador Xuanzong Zhu Gaoji de la dinastía Ming. Al parecer la

ilustración es de la mano del emperador mismo. (Temple 1988 portada)

Joseph Acosta en su Historia Natural de las Indias publicado en 1590 en Sevilla declara que los Incas Huyuna-Capac observaron manchas solares entre 1495 and 1525. (Hoyt 1997 p 12) La Física Solar comenzó en 1610 cuando Thomas Harriot registro por primera vez una observación hecha con telescopio. Galileo Galilei (1564-1642) ingeniero, físico y astrónomo italiano observo que las manchas solares se encontraban confinadas alrededor del ecuador solar, también observo que los grupos de manchas se movían unas respecto a otras y dedujo que el Sol gira alrededor de un eje fijo, con un periodo aproximado al mes lunar. (Tress 2013 p 24) Heinrich Schwabe boticario alemán y astrónomo aficionado registro las manchas solares por 43 años,

en 1843 descubre el periodo de 11 años en la variación periódica del número de manchas solares.

Rudolf Wolf (1816-1893) investigo registros históricos y solo encontró datos posteriores a 1700, en

1848 definió el número de manchas solares SSN (sunspot number) o número de Wolf como la cantidad

de manchas solares más 10 por cada grupo de manchas, definición que continua vigente. Richard

Carrington (1826-1875) astrónomo ingles descubrió en 1863 que la latitud promedio de las manchas

disminuye de forma constante, comportamiento conocido como la ley de Spörer en honor a Gustav

Spörer (1822-1896) astrónomo alemán que lo investigo a mayor detalle encontrando que aparecen en

latitudes de los 40° a los 5° en los ambos hemisferios. Edward Maunder en 1895 demostró que de

1640 a 1715 (mínimo de Mauder) no hubo manchas solares al mostrar que en ese mismo periodo no

hubo auroras polares. George Ellery Hale (1868-1938) ingeniero de Chicago invento la fotografía solar

monocromática, demostró la presencia de campos magnéticos en las manchas solares y propuso

estas tenían una temperatura menor que la fotosfera solar, en su honor se le llama ciclo de Hale al

ciclo del campo magnético solar que tiene un periodo de 22 años (Tress 2013 p 25-27). Horace W.

Babcock propuso un modelo cualitativo de la rotación de las capas exteriores solares para explicar el

comportamiento del campo magnético Solar. (Wikipedia 20150310)

En México se mencionan por primera vez manchas solares en el “Repertorio de los Tiempos” de Enrico Martínez en 1606, Carlos Sigüenza y Góngora registra las primeras observaciones con telescopio entre 1671 y 1692 en su libro “Libra astronómica y filosophica” y la observación sistemática en el Observatorio Astronómico Nacional comenzó en 1890. (Tress 2013 p 29)

Manchas solares y clima

Sería difícil que las antiguas civilizaciones no desarrollaran una teoría del clima y las manchas solares

al igual que los chinos. Tampoco sería sorprendente que tuvieran métodos de pronóstico del clima

basados en las manchas solares y en particular que los Mayas hubieran ya observado la hipótesis de

Buendía que asegura que en tiempo de mínima actividad solar al menos un ciclón pega en la península

de Yucatán.

La discusión moderna de la influencia de las manchas solares en el clima comenzó con Antonii Mariae

Schyrlei de Rheita de Antwerp en 1645 al sugerir que el incremento de las manchas solares provocaba

un clima más frio y tormentoso, posteriormente Sir William Herschel's en 1796 relacionaba el clima con

las manchas solares y Arago en 1830 discutía la influencia de las manchas solares con la temperatura.

El tema causo sensación con un trabajo de C. Piazzi Smyth en 1870, así Sir Norman Lockyer,

Ferguson, Meldrum 1872, Poey 1873 y otros pensaron en la dependencia de los eventos terrestres

con el sol. En 1885 Meldrum meteorólogo ingles en la India comparo la frecuencia de ciclones en la

India con el número de manchas solares (FIGURA 2), la semejanza de los comportamientos provoco

una avalancha de investigaciones (FIGURA 3) relacionando el número de manchas solares con la

temperatura terrestre, precipitación, flujo de ríos, población de insectos, producción agrícola y

económica, precios y muchos otros temas, como algunos estudios llegaban a conclusiones opuestas

los estudios fueron criticados y desacreditados. (Hoyt 1997, p 3-5)

Theodore Landscheidt propone que las variaciones de la actividad solar actúa como amplificador de otros ciclos. (Hecht 2007, p 6-9)

FIGURA 2 Frecuencia de ciclones en el Océano Indico y numero de manchas solares de 1847 a 1873.

Publicado por Meldrum en 1885. (Hoyt 1997)

FIGURA 3 Número de publicaciones por año sobre clima y sol de 1850 a 1992. (Hoyt 1997)

Teoría astronómica del clima

Desde la antigüedad se proponía la hipótesis que los astros regían la dinámica terrestre pero no fue hasta 1911 que Milankovitch se puso a calcular la radiación que incidía en la Tierra en términos de 3 ciclos de la orbita terrestre. En 1830 Sir John Herschel propuso que los cambios en la órbita terrestre afecta la radiación total TSI (Total Solar Irradance) que alcanza la Tierra (Hoyt 1997). Adhémar propuso que era la variación de la inclinación del eje terrestre la causa en el cambio del clima terrestre. En 1855 el astrónomo francés Urbain Leverrier calculo que la órbita de la Tierra varía entre un circulo y una elipse aproximadamente en 100,000 años, calculo un cambio de excentricidad de la órbita terrestre entre 0 y 6%, cálculos recientes muestran es de 1,6%. (Morales 2001) En 1865, James Croll, mecánico escocés, en una obra llamada El clima y las épocas agrega el cambio de la excentricidad de la órbita terrestre a la hipótesis de Adhémar. (Morales 2001) En 1920 Milutin Milankovitch (1879-1958) matemático de la Universidad de Belgrado publico después de nueve años de trabajo su libro The Mathematical Theory of Heat Phenomena Produced by Solar Radiation en el que incorpora la variación de la inclinación del eje de rotación terrestre, la variación de la excentricidad de la órbita terrestre y el giro de eje de rotación terrestre o nutación como los 3 mayores ciclos para calcular la radiación solar sobre la Tierra (FIGURA 4). La idea es que entre más inclinado este el eje de rotación terrestre más extremosa es la variación entre el verano e invierno. La inclinación del eje terrestre u oblicuidad de la elíptica cambia cada 40 a 41 mil años de 21.8° a 24.6°, actualmente es de 23.45°. La nutación o precesión del equinoxio tiene un ciclo de 26 mil años, que combinado con el avance del perihelion (el punto al cual la Tierra está más cerca al Sol) tiene periodo de 21 mil años. El ciclo de la excentricidad de la órbita terrestre tiene periodo de 90 a 100 mil años. Milancovitch motivado por Vladimir Köppen (1846-1940) meteorólogo ruso-alemán cálculo la radiación solar para el hemisferio norte desde 650 mil años en el pasado hasta 160 mil años en el futuro, el efecto de los tres ciclos astronómicos en las glaciaciones del hemisferio norte se le conoce como la teoria Milankovitch del cambio climático cíclico. Köppen, su yerno Alfred Wegener meteorólogo, geólogo, astrónomo y atrevido explorador polar usaron el trabajo de Milankovitch para explicar los 4 ciclos en el movimiento de los glaciares alpinos descubiertos por Albrecht Penck y Eduard Brückner. Milankovitch murió 1958 defendiendo su teoría al igual que Köppen y Wegener que murió congelado en una exploración en el descredito por su teoría de placas tectónicas, que años después fue confirmada. Décadas después de muertos sus autores, la hipótesis Köppen-Wegener-Milankovitch fue amplia e indisputablemente reconocida como la causa principal del cambio climático y el inicio de la teoría del caos sincronizado. (Hecht 2007, p 6-9)

FIGURA 4 Fluctuación de la radiación solar dependiendo de parámetros orbitales calculada por

Milankovitch y usada por Köppen y Wegener en su artículo de 1924 Die Klimate der geologischen

Vorzeit (The Climates of the Geological Past). (Hoyt 1997)

SSN y TSI

El número de manchas solares SSN (SunSpot Number) es una medida de la actividad solar y por ende

de la radiación que incide sobre el planeta TSI (Total Solar Irradiance) (FIGURA 5).

FIGURA 5 Medidas satelitales de la radiacion solar total TSI (Total Solar Irradiance) y el número de

manchas solares SSN (SunSpot Number) para los últimos 3 ciclos solares. Las fáculas incrementan la

energía emitida por el Sol mientras que las manchas solares la reducen el resultado es un incremento

de 0,1% en la irradiación solar entre el mínimo y máximo de los ciclos solares. (Raymond 2015, p 47)

Las manchas solares son perturbaciones magnéticas en la superficie solar que asemejan una mancha,

la cantidad de las mismas o SSN por sus siglas en inglés (sunspot number) se miden con la definicion

de Wolf que es el resultado de sumar la cantidad de manchas más 10 veces cada grupo de ellas. SSN

varia en el tiempo presentando varios ciclos, el principal es de 11 años llamado de Schwabe (que es

la mitad del ciclo Hale de 22 años que es la variación del campo magnético solar), le sigue el Gleissber

de 80 a 90 años (su influencia se nota a principios de siglo), Yoshimura de 40 años (después de un

mínimo de Gleissber a los 40 años crea un mínimo relativo de SSN) y Vries (José) de 208 años (178

años, causado por las mareas gravitacionales) (Steinhiber, 2013).

La variación de la actividad solar (FIGURA 6) se ve principalmente en el ciclo de Schwabe que es

debido que el Sol entra en un período de interrupción de sus explosiones internas mayores y las

manchas solares que se manifiestan sobre su superficie alcanzan valores mínimos o nulos, a esto le

llamamos mínimo solar, es el intervalo de tiempo cuando SSN tiende a cero, al número de manchas

solares en mínimo solar le llamamos SSNm. Análogamente decimos que un máximo solar es la fecha

entre mínimos solares con valor máximo para SSN y se denota con SSNM la cantidad de manchas

solares del máximo solar.

FIGURA 6 Numero de manchas solares SSN registradas de 1614 al 2004, se muestran los mínimos

más intensos de actividad solar Maunder y Dalton, asi como la estimación de la radiación total solar

TSI de diferentes modelos, se cree que el mínimo para la TSI fué 1360W/m2. (Raymond 2015, p 48)

Mínimos solares

Los mínimos solares duran meses, años o décadas; la etapa más duradera registrada sin actividad

solar que genere manchas solares fue entre 1640 y 1710 que se le reconoce como el mínimo de

Mauder, período donde ocurrieron las mayores variaciones del clima de la pequeña edad de hielo en

la Tierra. (Buendía, 2011)

Mínimos solares prolongados suele presentarse al inicio de cada siglo (FIGURA 7), mínimo de Mauder,

mínimo de Dalton, mínimo de revolución y en el siglo XXI mínimo de primavera. Diversos

investigadores han detectado que conforme se incrementa la duración del mínimo solar, se van

haciendo más intensas las variaciones climáticas sobre la Tierra y los fríos y las nevadas atípicas de

latitudes medias se incrementan en cantidad e intensidad. (Buendía, 2011)

FIGURA 7 SSN de 1749 a 2014.

SSN y ciclones

La correlación de parámetros de los ciclones Atlánticos, como frecuencia, días, velocidad máxima del

viento y presión, es mayor para años de mínimo solar, que para años de máximo solar y a su vez

mayor que para los años en general. (Hutton, 2013).

Buendía inspirado en las observaciones de Walker, observo los ciclones que tocaron la Península de

Yucatán (Huraken) y encontró que para los años de mínimos de actividad solar al menos aterriza un

ciclón, esto a su vez crea sequía en el Noroeste de México (Domínguez 2012) (Buendía, 2011).

Hay que irse con cuidado con las observaciones a las que se concluya ya que la investigación de la

influencia del clima espacial en el terrestre se remonta a la antigüedad y en tiempos modernos

comienzan 1645 con Schyrlei, y se intensifican desde 1870, han habido algunos éxitos como la teoría

de cambio climático sugerida por Herschel y explicada por Milankovitch Höppen y Wegener que junto

con Walker se convirtieron en los padres del caos armónico, sin embargo han habido grandes

contradicciones y desilusiones.

DATOS

Descargamos los datos del número mensual total de manchas solares de enero del 1749 a febrero

2015 de la página oficial del Observatorio Real de Bélgica (SIDC 2015) y trabajamos con ellos en

EXCEL 2013, el presente reporte lo redactamos en WORD de OFFICE 2013.

METODO

A diferencia de anteriores trabajos (Hutton 2013) que determinan los años de mínimos solares en

términos de la cantidad total anual de manchas solares, en este trabajo se determina los periodos para

los mínimos solares como las temporadas que comienzan el mes con manchas solares totales igual o

menor a 10 y terminan con el último mes con 10 o menos manchas solares, valores menores 10SSN

significa que no hay grupo de manchas en la definición de Wolf, que calcula el número de manchas

solares SNN como la suma de todas las manchas más 10 veces cada grupo de manchas. De esta

manera procedimos a determina para los 25 ciclos de la serie de datos del observatorio de Bélgica

(SIDC 2015) el año y mes del inicio de cada temporada de mínimo solar y el año y mes del final de la

misma. También se determina el máximo solar como la fecha con mayor número de manchas solares,

-50

0

50

100

150

200

250

300

1750 1760 1770 1780 1790 1800 1810 1820 1830 1840 1850 1860 1870 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

Numero de manchas solares 1749-2015

primeramente determinamos el año con mayor número de manchas y después el mes de año con

mayor número de manchas. Se tiene determinado que cada ciclo solar de la serie de Bélgica comienza

y termino en mínimo solar, en nuestro caso les llamaremos periodo y comienzan y acaban en los

máximos solares.

RESULTADOS

Determinamos las fechas del máximo solar, inicio y final de cada temporada de mínimo solar de los 25

periodos de los ciclos solares de la serie Bélgica (SIDC 2015), si como la duración del mínimo solar

(TABLA 1). TABLA 1. Periodos de mínimos de manchas solares 1749 -2015, fechas para máximos solares, así como fechas y duración de los mínimos solares.

PERIODO

Máximo

Inicio del mínimo

Fin del mínimo

Duración del mínimo

NOMBRE año mes año mes año mes años

primavera 2 2014 2 2018 12 2023 7+/-9 5

primavera 1 2000 7 2005 10 2010 5 5

23 1990 8 1995 11 1997 3 1

22 1979 9 1985 9 1987 2 1

21 1969 3 1975 4 1977 3 1

20 1957 10 1964 4 1965 8 2

19 1947 5 1953 2 1955 3 2

18 1938 7 1943 6 1944 7 1

17 1928 6 1932 7 1934 11 3

16 1917 8 1922 5 1925 1 3

revolución 2 1906 7 1910 4 1914 10 5

revolución 1 1893 8 1897 11 1903 1 5

revolución 0 1882 4 1886 10 1890 12 4

revolución -1 1870 8 1875 9 1879 12 4

11 1860 7 1866 7 1867 11 1

10 1847 12 1855 4 1857 3 2

9 1837 12 1843 2 1844 9 2

8 1830 4 1831 1 1832 8 2

Dalton 2 1817 3 1820 3 1825 4 5

posDalton 1 1811 7 1815 5 5

mesoDalton 1 1809 10 1811 6 2

preDalton 1 1804 10 1807 3 1809 9 3

Dalton 0 1788 6 1796 6 1800 5 4

4 1778 5 1783 10 1785 3 1

3 1770 8 1774 8 1776 7 1

2 1761 7 1766 4 1766 11 1

1 1749 11 1753 12 1756 12 3

CONCLUSIONES

A principios de siglo vemos se presentan dos mínimos más intensos y que el segundo es de igual o

menor duración que el primero y que todos han durado más de 4 años. También se observó que la

duración del mínimo parece ser inversamente proporcional al SSNM. Se recomienda analizar

estadísticamente SSN y SSNM, así como la relación SSNM contra el tiempo de duración del mínimo

y SSNM contra el periodo del ciclo.

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