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La cromosfera solar: el purgatorio de la Física Solar

13/may/18 6:50 AM
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Imágenes de la fotosfera y cromosfera solar tomadas por el telescopio Telescopio Solar Sueco (Observatorio del Roque de los Muchachos, La Palma). La fotosfera está en equilibrio termodinámico, como la temperatura en una playa donde corre una agradable brisa. La cromosfera, en cambio, no está en equilibrio termodinámico y contiene hidrógeno a diferentes temperaturas, como un día soleado en una montaña nevada con un viento frío. /

Elena Khomenko

La atmósfera del Sol se compone de varias capas. La cromosfera es una de las más curiosas y a la vez, quizá, la más complicada de ellas. Su nombre proviene de la palabra "cromo", color, y es así porque esta capa se ve roja durante los eclipses. Este color rojo es debido a la presencia de átomos de hidrógeno que emiten luz en una longitud de onda determinada. La cromosfera está situada entre lafotosfera (donde empieza la superficie del Sol) y la corona, su capa más externa, y su grosor no es más que unos pocos miles de kilómetros, que es bastante poco comparado con el tamaño que tiene el Sol. Entonces, uno se puede preguntar, ¿por qué le damos tanta importancia a esta capa?

Imagínense que están en un día frío sentados alrededor de una hoguera en el bosque. El aire alrededor está frío y la hoguera les da calor. Si empiezan a alejarse de la hoguera, ¿qué sentirán? Pues sentirán más frío. En el Sol, la hoguera es su núcleo donde tienen lugar las reacciones nucleares y donde se genera su energía. La temperatura va bajando gradualmente desde el núcleo hacia las capas más externas, igual que pasa con la hoguera. Sin embargo, la temperatura llega a su mínimo a unos 500 km de la superficiey luego vuelve a subir otra vez. El origen de esta subida no lo entendemos del todo. Y es justo esta subida lo que forma la cromosfera con su color rojo. La temperatura sigue subiendo más todavía hacia el exterior, llegando a unos millones de grados (casi como en el núcleo) en la corona. Pensamos que el origen de este calentamiento está en la presencia del campo magnético en la superficie del Sol y que entendiendo el calentamiento cromosférico podremos entender también el calentamiento de la corona. Para hacer los números, los podemos hacer en bombillas: para tener la cromosfera solar caliente todo el tiempo, tenemos que darle una energía equivalente a 1000 bombillas por metro cuadrado cada segundo. Y para mantener caliente la corona, pues unas 100 bombillas. No parece tanto pero, sin embargo, el problema de calentamiento de las capas exteriores del Sol es uno de los mayores problemas no resueltos en Física Solar.

Hasta hace no tantos años se consideraba que el Sol tenía campo magnético esencialmente en las manchas solares. Sin embrago, los físicos solares nos hemos dado cuenta de que estos pequeños imanes están repartidos por toda la superficie del Sol y están presentes incluso en el mínimo de su actividad, cuando no hay manchas. La energía que tienen supera en todo momento la necesaria para calentar la cromosfera. Solo tenemos que encontrar mecanismos que permitan convertir esta energía en calor.

Antes comentamos que la cromosfera tiene color rojo porque tiene hidrógeno. Resulta que la mitad de ese hidrógeno son átomos neutros que no sienten la presencia del campo magnético directamente, justo porque son neutros. La otra mitad del hidrógeno está ionizada, lo que quiere decir que tiene un electrón menos y por tanto tiene carga positiva. Dicho de otra manera, es como si el material cromosférico estuviera formado por dos líquidos de distinta naturaleza. Las cosas serían más simples si estos líquidos estuvieran bien mezclados y se comportaran como uno solo. Sin embargo, la cromosfera es muy poco densa y eso no permite a los líquidos mezclarse bien. Esta situación la llamamos "ausencia del equilibrio termodinámico".

Explicado en otras palabras, imagínense un día de verano en una playa. Nos llega una brisa calurosa del mar y los rayos del Sol también calientan. La temperatura de la brisa no es muy distinta de la que proporciona el Sol y es una sensación agradable. Eso es así porque estamos en equilibrio termodinámico. Sin embargo, imagínense que otro día, de invierno pero soleado, están tomando el sol encima de una montaña cubierta de nieve. La radiación del Sol calienta, pero el viento que viene de la montaña está frío. Ya no estamos tan a gusto, porque no estamos en equilibrio termodinámico. Es justo lo que pasa en la cromosfera. Por no estar en equilibrio termodinámico, el hidrógeno neutro e ionizado se comportan de manera diferente y pueden hasta tener temperaturas diferentes. El hidrógeno ionizado responde a las fuerzas magnéticas, mientras que el neutro es arrastrado cuando los átomos chocan entre sí. Los átomos neutros puede que quieran ir en una dirección y los ionizados en otra. Y si colisionan, crean fricción. Como cuando una persona intenta caminar en dirección contraria a una multitud: choca con la gente, crea fricción y a lo mejor alguno "se calienta". Del mismo modo, los átomos de hidrógeno chocan, crean fricción y se calientan unos a otros.

Este mecanismo es lo que podría permitir convertir la energía magnética que tiene el Sol en todo momento en calor y calentar la cromosfera de forma muy eficiente. Curiosamente este mecanismo, bien estudiado en otros campos de Astrofísica, no se había aplicado al Sol hasta hace muy poco. Recientemente, la Unión Europea ha subvencionado un proyecto que estamos poniendo en marcha en el Instituto de Astrofísica de Canarias para crear modelos de la cromosfera solar que tendrían esta física novedosa incorporada. Esperemos que nos permitan acercarnos un poco más a entender la cromosfera, que algunos consideran el "purgatorio" de la Física Solar.

Elena Khomenko nació en Kiev, Ucrania. Tras licenciarse en Física y doctorarse en Astrofísica por el Observatorio Principal de Ucrania, se trasladó a Tenerife con un contrato postdoctoral del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) sobre Física Solar. Tras varias becas postdoctorales, obtuvo un prestigioso contrato en el marco del programa Ramón y Cajal. Actualmente es científica titular del IAC. Ha sido beneficiaria de ayudas del Consejo Europeo de Investigación (ERC) mediante becas de Starting Grant en el 2011 y Consolidator Grant en el 2017 para liderar proyectos sobre simulación numérica de la atmósfera solar. 

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