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Los rayos cósmicos y el clima

H | 27 Agosto, 2007 03:09

traducción (no oficial) de René Mérou del artículo Cosmic Rays and Climate
No soy traducctor profesional, por favor enviadme correcciones a ochominutosdearco en gmail.com

Por: Nir J. Shaviv,

 


El artículo apareció originalmente en PhysicaPlus.

Sir William Herschel fue el primero en considerar seriamente al sol como fuente de variaciones del clima, hace ya dos siglos. Él observó una correlación entre el precio del trigo, que él asumió que era un indicador del clima, y la actividad de la manchas solares:

El resultado de de esta revisión de los cinco períodos precedentes es, tal que, del precio del trigo, parece probable que haya ocurrido cierta escasez o defecto temporal de la vegetación de forma generalizada, cuando el sol ha estado sin esos aspectos que conjeturamos ser síntomas de una emisión copiosa de la luz y de calor.

— Sir William Herschel, Phil. Trans. Roy. Soc. Londres, 91, 265(1801)

Herschel supuso que esta relación se presenta en forma de variación en la luminosidad del sol. Hoy se sabe que diferentes actividades solares y las variaciones del clima tienen una correlación notable en varias escalas de tiempo. El mejor ejemplo es quizás el que está representado en la fig.1, con una escala de tiempo centenaria que abarca más de tres mil años de actividad solar y clima tropical del Océano Índico (Neff et al. 2001). Otro ejemplo de una correlación hermosa existe en una escala de tiempo algo más larga, entre la actividad solar y el clima del atlántico norte (Bond et al. 2001). Sin embargo, las variaciones relativamente pequeñas de la luminosidad del sol son muy probablemente insuficientes para explicar ésta u otras relaciones. Así, probablemente se requiere un amplificador de la actividad solar para explicar estas correlaciones observadas.

Figura 1: La correlación entre solar actividad reflejada en el flujo de 14C, y una variable de la sensibilidad del clima, el cociente del isótopo 18O/16O de estalagmitas en una cueva en Omán, en una escala centenaria que abarca más de tres milenios. El 14C se reconstruye de tres anillos. Es un indicador de la actividad solar puesto que un sol más activo tiene un viento solar más fuerte que reduce el flujo de los rayos cósmicos que alcanzan la tierra desde fuera del Sistema Solar. Un flujo reducido de rayos cósmicos, reducirá a su vez la dispersión del nitrógeno y del oxígeno y con él la formación del 14C. Por otra parte, el 18O/16O refleja la temperatura de la fuente de agua del Océano en que se formaron las estalagmitas. (gráfico de Neff et al., 2001, Copywrite de Nature, usada con su permiso)

Se han sugerido varios amplificadores. Por ejemplo, toda la radiación UV se absorbe en la estratosfera, de forma que cambios estratosféricos notables se reflejan como cambios en la radiación no-térmica emitida por el sol. De hecho, Joanna Heigh del Imperial College de Londres, sugirió eso a través de una relación dinámica con la troposfera, vía la circulación de Hadley (en que el aire húmedo asciende en el trópico y desciende como aire seco en una latitud de alrededor de 30°) la señal solar en la superficie puede ser amplificada. Aquí estamos interesados en lo que parece ser una relación más mucho más indirecta entre la actividad solar y el clima

En 1959, el último Edward Ney de la U. de Minnesota sugirió que cualquier sensibilidad climática a la densidad de iones troposféricos relacionaría inmediatamente la actividad solar al clima. Esto es porque el viento solar modula el flujo de partículas de la alta energía que vienen desde fuera de la Sistema Solar. Estas partículas, los rayos cósmicos, son la fuente predominante de ionización en la troposfera. Más específicamente, un sol más activo acelera un viento solar más fuerte, que a su vez implica que como los rayos cósmicos se difunden desde las cercanías de la Sistema Solar hacia su centro, estos pierden más energía. Por lo tanto, produce una tasa más baja de ionización troposférica. Durante el ciclo solar de 11 años y durante periodos más largos de variación de la actividad solar, estas variaciones corresponden típicamente con un cambio de un 10% en esta tasa de ionización. Ahora parece que sí hay una variable climática sensible a la cantidad de ionización, las nubes.

Figura 2: La relación de los rayos cósmicos entre la actividad solar y el clima terrestre. La actividad solar cambiante es responsable de la variación de la fuerza del viento solar. Un viento más fuerte reducirá el flujo de rayos cósmicos que alcanzan la tierra, debido a que una cantidad más grande de energía se pierde mientras que se propagan a través del viento solar. Los rayos cósmicos vienen desde fuera de la Sistema Solar (los rayos cósmicos con energías debajo de 1015eV, son acelerados muy probablemente por remanentes de supernova). Puesto que los rayos cósmicos controlan la ionización troposférica, una actividad solar creciente se traducirá en una ionización reducida, y empíricamente (según se muestra abajo), también a una reducción en la cobertura de nubes de baja altitud. Puesto que las nubes de baja altitud tienen un efecto de enfriamiento de red (su "blancura" es más importante que su efecto "combinado"), el incremento de actividad solar implica un clima más caliente. Las variaciones intrínsecas del flujo de rayos cósmicos tendrán un efecto similar, uno que sin embargo no estará relacionado con las variaciones de la actividad solar.

Las nubes han sido observadas desde el espacio desde principios de los años 80. A mediados de los 90, había bastantes datos de nubes acumulados para proporcionar la evidencia empírica en favor de una relación entre las emisiones solares y la cobertura de nubes. Sin los datos de los satélites, sería difícil o probablemente imposible conseguir resultados estadísticos significativos debido a los grandes errores sistemáticos que plagaban las observaciones terrestres. Usando los datos de los satélites, Henrik Svensmark del Danish National Space Center (centro nacional danés del espacio) en Copenague ha demostrado que la cobertura de nubes varía en sincronía con el flujo variable de rayos cósmicos que alcanzan la tierra. Sobre la escala de tiempo relevante, las variaciones más grandes se presentan en el ciclo solar de 11 años, y de hecho, la cobertura de nubes parecía seguir el ciclo y medio de modulación del flujo de rayos cósmicos. Más adelante, Henrik Svensmark y su colega Nigel Marsh, han demostrado que la correlación existe principalmente con la cobertura de nubes de baja altitud. Esto se puede ver en la fig. 3.

Figura 3: La correlación entre el flujo del rayos cósmicos (naranja) según lo medido en monitores de cuenta de neutrones en latitudes magnéticas bajas, y la cobertura de la nubes de baja altitud (azul) usando los datos del satélite ISCCP, según Marsh & Svensmark, 2003,.

La correlación actividad solar - flujo de rayos cósmicos - cobertura de nubes es absolutamente evidente. De hecho era lo que buscaba Henrik Svensmrk, basándose en consideraciones teóricas. Sin embargo, por sí mismo no puede ser utilizada para probar la conexión entre los rayos cósmicos y el clima. La razón es que no podemos excluir la posibilidad de que la actividad solar module el flujo de rayos cósmicos e independientemente el clima, sin ninguna relación causal entre estos dos últimos. Hay sin embargo pruebas separadas de que existe una relación causal entre los rayos cósmicos y el clima, e independientemente de que los rayos cósmicos dejan una huella digital en las variaciones observadas de la cobertura de nubes.

Para empezar, las variaciones del clima parecen presentarse también de variaciones intrínsecas del flujo de rayos cósmicos, a saber, de variaciones que no tienen nada que ver con modulaciones de la actividad solar. Esto elimina cualquier duda de que las correlaciones observadas entre la actividad solar y la cobertura de nubes sean coincidencias o de que no exista una conexión de causalidad real. Es decir, elimina la posibilidad de que la actividad solar module el flujo del rayos cósmicos e independientemente el clima, de forma que nosotros pensemos que los rayos cósmicos y el clima estén relacionados, donde de hecho no lo estén. Específicamente, se presentan variaciones en el flujo de los rayos cósmicos en el ambiente variable que rodea el Sistema Solar, en su viaje alrededor de la Vía Láctea. Estas variaciones parecen haber dejado una huella paleoclimática en los registros geológicos.

Los rayos cósmicos, por lo menos con energías inferiores a 10eV, son acelerados por remanentes de supernovas. En nuestra galaxia, la mayoría de las supernovas son el resultado de la muerte de estrellas masivas. En galaxias espirales como la nuestra, la mayor parte de la formación de las estrellas ocurre en los brazos espirales. Existen ondas que giran alrededor de la galaxia a una velocidad diferente que las estrellas. Cada vez que la onda pasa (o es atravesada por), el gas interestelar choca y forma nuevas estrellas. Las estrellas masivas que terminan sus vidas con una explosión supernova, viven una vida relativamente corta mayoritariamente de 30 millones de años, así, mueren no muy lejanas de los brazos espirales donde nacieron. Por consiguiente, la mayoría de los rayos cósmicos se aceleran en la vecindad de brazos espirales. El Sistema Solar, sin embargo, tiene una vida mucho más larga que le permite cruzar periódicamente los brazos espirales de la Vía Láctea. Cada vez que lo hace pues, debe ser testigo de un nivel elevado de rayos cósmicos. En hecho, las variaciones en el flujo de rayos cósmicos que se presentan en nuestro viaje galáctico son diez veces más grandes que las variaciones del flujo de rayos cósmicos debidas a las modulaciones de la actividad solar, en las energías responsables de la ionización troposférica (del orden 10 GeV). Si esto último es responsable de un efecto 1°K, los pasos a través de los brazos espirales deben ser responsables de un efecto de 10°K -más que suficiente para cambiar el estado de la tierra de invernadero, con los climas templados extendidos a las regiones polares, a un estado frío, con capas de hielo en los polos, como la tierra de hoy. De hecho, se espera que sea el conductor más dominante del clima en la escala de tiempo de 10 8 a 109 años.

Se ha demostrado por el autor (Shaviv 2002, 2003), que esta variación intrínseca en el flujo de rayos cósmicos es claramente evidente en los datos geológicos de paleoclima. Dentro de las determinaciones del período y de la fase de la conexión del clima del brazo-espiral, las determinaciones astronómicas de la velocidad relativa coinciden con el expediente geológico de la sedimentación de cuando la tierra estaba en condiciones de invernadero o de estado frío. Por otra parte, se ha encontrado que el flujo de rayos cósmicos se puede reconstruir independientemente usando las llamadas "edades de exposición" de los meteoritos del hierro. Se ha visto que las huellas encontrada concuerdan con las predicciones astronómicas por un lado, y se correlaciona bien con el expediente de sedimentación, todo ello en un período de ~145 Millones de años.

Figura 4: Un meteorito del hierro. Una muestra grande de estos meteoritos puede utilizarse para reconstruir las últimas variaciones del flujo de rayos cósmicos. La señal reconstruida revela una periodicidad de 145 Millones de años. El que está en la figura es parte del meteorito Sikhote Alin que cayó sobre Siberia a mediados de siglo XX. La medida de la exposición de rayos cósmicos del meteorito implica que se separó de su pariente hace cerca de 300 millones de años.

En un análisis más actual, de Ján Veizer de la universidad de Ottawa y de Ruhr University de Bochum, se encontró que la reconstrucción del flujo de rayos cósmicos concuerda con una reconstrucción cuantitativa de la temperatura tropical (Shaviv y Veizer, 2003). De hecho, la correlación está tan bien, que ha demostrado que el flujo de rayos cósmicos explica cerca de dos tercios de la variación en la señal reconstruida de la temperatura. Así pués, los rayos cósmicos afectan indudablemente al clima, y en escalas de tiempo geológicas es el conductor más dominante del clima.

Figura 5: Correlación entre la reconstrucción del flujo de rayos cósmicos (basada en las edades de exposición de los meteoritos del hierro) y la temperatura tropical reconstruida geoquímicamente. La comparación entre las dos reconstrucciones revela el papel dominante de rayos cósmicos y de la "geografía" galáctica como conductor del clima en escalas de tiempo geológicas. (Shaviv y Vezier 2003)
Figura 6: Un resumen de las 4 diferentes señales que revelan la relación entre el flujo de rayos cósmicos y el clima en escalas de tiempo geológicas. Están trazados el período y la fase (del frío máximo previsto) de dos señales extraterrestres (determinaciones astronómicas del patrón de la velocidad del brazo espiral y reconstrucción del flujo de rayos cósmicos a partir de los meteoritos de hierro) y dos reconstrucciones del paleoclima (basadas en la sedimentación y en registros geoquímicos). Las cuatro señales son consistentes con las otras, demostrando la robustez de la relación. Si se excluye cualquier grupo de datos, la relación debería seguir existiendo.

Recientemente, también se ha demostrado por Ilya Usoskin de la universidad de Oulu, Nigel Marsh del Danish Space Research Center y de sus colegas, que las variaciones en el tamaño de la cobertura de nubes de baja altitud siguen las expectativas de una relación entre la cobertura de nubes y los rayos cósmicos (Usoskin et al., 2004). Específicamente, se encontró que el cambio relativo en la cobertura de nubes de baja altitud es proporcional al cambio relativo en la ionización atmosférica inducida por el ciclo solar en las latitudes geomagnéticas dadas y en la altitud de nubes bajas (hasta cerca de 3 km). A saber, en latitudes más altas donde las variaciones en la ionización son alrededor de dos veces más grandes que las de latitudes bajas, las variaciones en las nubes de baja altitud son también muy cerca de dos veces más grandes.

Así, ahora se ve que la evidencia empírica sobre una relación entre los rayos cósmicos y la cobertura de nubes es abundante. Sin embargo, ¿hay un mecanismo físico que lo explique? La respuesta es que aunque hay indicaciones de como la relación puede presentarse, no hay todavía un panorama firme, por lo menos uno que se base en resultados experimentales sólidos.

Aunque sobre la saturación 100%, la fase preferida del agua es líquida, no podrá condensarse a menos que tenga una superficie en la que hacerlo. Así, para formar las gotitas de la nube el aire debe contener núcleos de condensación - pequeñas partículas de polvo o aerosoles sobre los que pueda condensarse el agua. Cambiando la densidad de esas partículas, las características de las nubes se pueden variar, con más núcleos de la condensación de la nube, las gotitas de la nube son más numerosas pero más pequeñas, ésto tiende a hacer nubes más blancas y con vidas más largas. Este efecto fue visto tras el flujo de grandes humaredas, tras el flujo de ciudades, y en los océanos en forma de pistas tras las naves en la cobertura de nubes marina.

La hipótesis sugerida es que en regiones sin polvo (p.ej., en zonas alejadas en los grandes océanos), la formación de los núcleos de condensación de nubes ocurre en el crecimiento de pequeñas agrupaciones de aerosol, y que la formación posterior es gobernada por la disponibilidad de carga, esas agrupaciones de aerosoles cargados son más estables y pueden crecer mientras que las agrupaciones neutrales se pueden dispersarse fácilmente. Algunos resultados experimentales tienden para apoyar esta hipótesis, pero aún no la prueban. Por ejemplo, el grupo de Frank Arnold en la universidad de Heidelberg recogió muestras de aire en misiones aéreas y encontró que, según lo esperado, las agrupaciones cargados juegan un papel importante en la formación de pequeños núcleos de la condensación. Todavía debe ser visto que los núcleos pequeños de condensación crecen por acreción y no por la recolección de objetos más grandes. Si el proceso de formación es dominante, la carga y por lo tanto la ionización por rayos cósmicos desempeñaría un papel importante en la formación de los núcleos de condensación de la nubes.

Una de las perspectivas prometedoras para probar la "relación que falta", es el experimento SKY que está llevándose a cabo en el Centro Espacial Nacional Danés, donde un verdadero "compartimiento nube" imita las condiciones de la atmósfera. Esto incluye, por ejemplo, niveles variables de ionización de fondo y niveles de aerosoles (ácido sulfúrico en particular). Dentro de algunos meses, el experimento esperamos que verterá la luz sobre los mecánicos físicos responsables del la relación evidente entre la cobertura de nubes y por lo tanto el clima en general, con los rayos cósmicos, y a través del viento solar, también con la actividad solar.[ Nota Agregada (El 4 De Oct. De 2006): Los resultados experimentales confirman de hecho una relación]

Figura 7: El experimento del compartimento de reaccón SKY del Centro Espacial Nacional Danés. El experimento fue construido con la meta de la entender la microfísica que hay detrás de la relación entre la cobertura de nubes y los rayos cósmicos encontrada en varias correlaciones empíricas. De izquierda a derecha: Nigel Marsh, Jan Veizer, Henrik Svensmark. Detrás de la cámara fotográfica: el autor.
Las implicaciones de esta relación llegan lejos. No solo implica que en varias escalas de tiempo en que las variaciones de la actividad solar o cambios en el medio ambiente galáctico fueron prominentes, si no los conductores dominantes del clima, además ofrece una explicación a al menos algunos de los testimonios de variabilidad del clima de los últimos siglos y milenios. En particular, no todo calentamiento del siglo XX se debe atribuir a fuentes anthropogénicas, puesto que el incremento de actividad solar explica a través de esta relación más de la mitad del calentamiento.

Más información se puede encontrar en:
  1. Un artículo general sobre la relación entre los rayos cósmicos y el clima a traves de las escalas geológicas de tiempo.
  2. Web de Henrik Svensmark, que incluye varias publicaciones sobre la relación rayos cósmicos - nubes.
  3. Los esperados resultados del experimento danés SKY serán divulgados en su Web dentro de varios meses.
Notas y referencias:

* Sobre la correlación actividad solar / clima:
  1. Para la primera sugerencia de que la variabilidad solar puede afectar clima, vea: William Herschel, "Observations tending to investigate the nature of our sun, in order to find causes or symptoms of its variable emission of light and heat" (Las observaciones apuntan a investigar la naturaleza de nuestro sol, para encontrar causas o síntomas de su emisión variable de luz y calor", Phil. Trans. Roy. Soc. London, 91, 265 (1801). Obsérvese que Herschel sospechó que son las variaciones en la salida total las que pueden afectar al clima (y con ellas al precio del trigo).
  2. Quizás se puede encontrar la correlación más hermosa entre una actividad solar y los efectos en el clima en el trabajo de U. Neff et al., "Strong coherence between solar variability and the monsoon in Oman between 9 and 6 kyr ago" (Fuerte coherencia entre la variabilidad solar y el monzón en Omán entre 9 y 6 miles de millones de años atrás), Nature 411, 290 (2001).
  3. Otra hermosa correlación entre la actividad solar y el clima se puede ver en el trabajo de G. Bond et al., "Persistent Solar Influence on North Atlantic Climate During the Holocene" (influencia solar persistente en el clima del Atlántico Norte durante el holoceno", Science, 294, 2130-2136, (2001).
* A cerca de la correlación entre los rayos cósmicos y de la cobertura de la nubes:
  1. El papel de Henrik Svensmark, informa de la correlación entre las variaciones del flujo de rayos cósmicos y las variaciones de la cobertura de nubes: H. Svensmark, "Influence of Cosmic Rays on Earth's Climate" (La influencia de los rayos cósmicos en el clima de la tierra", Physical Review Letters 81, 5027 (1998).
  2. La correlación específica entre la cobertura de nubes de baja altitud se discute en N. Marsh y H. Svensmark, "Low Cloud Properties Influenced by Cosmic Rays" ("Influencia de las propiedades de las nubes bajas por parte de los rayos cósmicos), Physical Review Letters 85, 5004 (2000).
  3. Análisis adicional incluyendo el papel relativo de las variaciones de CRF versus El-niño pueden encontrarse en: N. Marsh and H. Svensmark,"Galactic cosmic ray and El Niño-Southern Oscillation trends in International Satellite Cloud Climatology Project D2 low-cloud properties" (Rayos cósmicos galácticos y las tendencias de oscilación meridionales de El-niño en las nubes de baja altitud en el proyecto International Satellite Cloud Climatology Project D2 ), J. of Geophys. Res., 108(D6), 6 (2003).
  4. El análisis que demuestra la firma geográfica de las variaciones del flujo de rayos cósmicos en las variaciones de la cobertura de nubes de baja altitud se puede encontrar en: I. Usoskin et al., "Latitudinal dependence of low cloud amount on cosmic ray induced ionization" (dependencia latitudinal de la cantidad de nubes bajas sobre la ionización inducida por los rayos cósmicos), Geophysical Research Letters 31, L16109 (2004).
* Sobre las correlaciones de los rayos cósmicos y el clima en escalas de tiempo geológicas:
  1. La sugerencia de que las variaciones en el flujo de rayos cósmicos debidas a los pasos por los brazos espirales podrían dar lugar a épocas edad de hielo se encuentra en: N. Shaviv, "Cosmic Ray Diffusion from the Galactic Spiral Arms, Iron Meteorites, and a Possible Climatic Connection" (Difusión de rayos cósmicos de los brazos espirales galácticos, meteoritos de hierro, y una posible conexión climática), Physical Review Letters 89, 051102, (2002).
  2. Un análisis muy detallado, incluyendo la reconstrucción de los rayos cósmicos usando meteoritos del hierro se encuentra en: N. Shaviv, "The spiral structure of the Milky Way, cosmic rays, and ice age epochs on Earth" (la estructura espiral de la Vía Láctea, los rayos cósmicos, y las épocas de edad de hielo en la tierra", New Astronomy 8, 39 (2003).
  3. El análisis de Shaviv y de Veizer demuestra la importancia primaria de la variación del flujo de rayos cósmicos en escalas de tiempo geológicas, y con ello, pone un límite en la sensibilidad del clima: N. Shaviv y J. Veizer, "A Celestial driver of Phanerozoic Climate?" (un conductor celestial del clima del paleozoico?), GSA Today 13, No. 7, 4, 2003.

 



Más recientemente he encontrado que muchos científicos están firmando en contra de que estados unidos firme los tratados anti calentamiento global. Dan mucha información: Petition Project

Novedad del 29 julio 2010: la temperatura de marte también está creciendo lo que también apunta al sol como director de nuestra temperatura y de su aumento actual.

 

Comentarios

Y puede mejorar...

Miguel | 28/08/2007, 00:25

Pus parece que no va nada desencaminado viendo las estadísticas "chapuceras" de la NASA

otro artículo relacionado

H | 15/10/2007, 19:28

El calentamiento global pronto puede cambiarse en enfriamiento.

Habla de lo que afirma el científico ruso Oleg Sorojtin.

http://sp.rian.ru/analysis/20071009/83194012.html

la mami

maria | 29/03/2008, 23:35

yo solo quiero hacer una pregunta por q hay tanto calor en la tierra

nubes

lila | 28/10/2008, 20:40

necesito un experimento sobre la coloracion de las nubes

tengo un meteorito

modesto bianor | 08/11/2008, 00:23

tengo un posible meteorito quisiera porfavor que me manden ls caracteristicas de un meteorito pue el que tengo los imanes se adieren a ello y es de largo 35cm por 20 de ancho espero respuesta alguna gracias aqui les dejo mi correo bkgo48@hotmail.com espero re`puesta con urgencia gracias

de estrellas fugases

fernando | 22/01/2009, 15:14

yo querira saber de las estrellas fugaces digame cada cuando hay estrellas fugaces si el 30 de enero a que hora ba aver sobre la lluvia de estrellas

Variedades de nubes

CHEMA. | 10/02/2009, 00:13

hola me llamo CHEMA,en lo que respecta alas nubes para unos pueden ser ciertas cosas normales de la naturaleza, pero para otros puede ser una forma de ver como surgen los fenomenos en la atmosfera,en lo que respecta a mi es una forma de tener un pasatiempo libre es decir las varias nubes que se forman en la atmosfera para mi es otro mundo por que unas pueden denominar una forma increible es decier que pueden de espectaculares como por ejemplo:inestabilidad kelvin-helmholtz,cumulolimbos,estratocumulos,cululos congestus,cululolimbos mammatus etc.Se podria decir que es espectacular desde mi punto de vista asi que me despido y que tengan un buen dia adios.

gracias por la traaducción

Marcos | 05/06/2009, 19:43

Siento que los comentarios no tengan absolutamente nada que ver con el texto.
Por lo demás, tal y como está el panorama ideológico-político resulta importantísimo que exista gente dedicada a traducir estos informes tan determinantes sobre el mito del cambio climático.
Otra vez, muchas gracias.

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