La zona de convección del Sol juega un papel clave en la generación y evolución del campo magnético del Sol, un hallazgo que arroja luz sobre un misterio del ciclo solar.
Analizando conjuntos de datos que abarcan más de 20 años, los investigadores del Instituto Max Planck para la Investigación del Sistema Solar, la Universidad de Gotinga y la Universidad de Nueva York en Abu Dhabi han obtenido la imagen más completa del flujo de plasma norte-sur en la zona de convección. El flujo va alrededor de la zona de convección en cada hemisferio en aproximadamente 22 años.
La actividad magnética del Sol sigue un ciclo de once años. En el transcurso de un ciclo solar, la actividad magnética del Sol va y viene. Durante el máximo solar, aparecen grandes manchas solares y regiones activas en la superficie del Sol. Espectaculares bucles de plasma caliente se extienden por toda la atmósfera del Sol y erupciones de partículas y radiación disparan al espacio interplanetario.
Durante el mínimo solar, el Sol se calma considerablemente. Una sorprendente regularidad aparece en el llamado diagrama de mariposas, que describe la posición de las manchas solares en un diagrama de tiempo-latitud.
Al comienzo de un ciclo solar, las manchas solares emergen en latitudes medias. A medida que el ciclo progresa, emergen cada vez más cerca del ecuador. Para explicar este "diagrama de mariposas", los físicos solares sospechan que el campo magnético profundo es llevado hacia el ecuador por un flujo a gran escala.
"En el transcurso de un ciclo solar, el flujo meridional actúa como una cinta transportadora que arrastra el campo magnético y establece el período del ciclo solar --explica el profesor doctor Laurent Gizon, director de MPS y primer autor del nuevo estudio--. Ver la geometría y la amplitud de los movimientos en el interior solar es esencial para comprender el campo magnético del Sol", agrega.
Con este fin, Gizon y su equipo utilizaron heliosismología para mapear el flujo de plasma debajo de la superficie del Sol. La heliosismología es para la física solar lo que la sismología es para la geofísica.
Los heliosismólogos usan ondas de sonido para sondear el interior del Sol, de la misma manera que los geofísicos usan terremotos para sondear el interior de la Tierra. Las ondas de sonido solares tienen períodos cercanos a los cinco minutos y están continuamente excitadas por la convección cerca de la superficie.
Los movimientos asociados con las ondas de sonido solares se pueden medir en la superficie del Sol con telescopios en naves espaciales o en el suelo.
En este estudio, Gizon y su equipo utilizaron observaciones de ondas de sonido en la superficie que se propagan en dirección norte-sur a través del interior solar. Estas ondas están perturbadas por el flujo meridional: viajan más rápido a lo largo del flujo que contra el flujo.
Debido a que es pequeño, el flujo meridional es extremadamente difícil de ver en el interior solar. "El flujo meridional es mucho más lento que otros componentes del movimiento, como la rotación diferencial del Sol", explica Gizon.
El flujo meridional a través de la zona de convección no es más que su valor máximo de superficie de 50 kilómetros por hora. "Para reducir el nivel de ruido en las mediciones heliosísmicas, es necesario promediar las mediciones durante períodos de tiempo muy largos", señala el doctor Zhi-Chao Liang, de MPS.
El equipo de científicos analizó, por primera vez, dos series de datos independientes muy largas. Uno fue proporcionado por SOHO, el observatorio solar más antiguo en el espacio operado por la ESA y la NASA. Los datos tomados por Michelson Doppler Imager (MDI) de SOHO cubren el tiempo desde 1996 hasta 2011.
El Grupo de Red Global de Oscilación (GONG) proporcionó un segundo conjunto de datos independiente, que combina seis telescopios solares terrestres en Estados Unidos, Australia, India, España y Chile ofrecerán observaciones casi continuas del Sol desde 1995.
"La comunidad internacional de física solar es digna de elogio por entregar múltiples conjuntos de datos que cubren los dos últimos ciclos solares --reconoce el doctor John Leibacher, exdirector del proyecto GONG--. Esto hace posible promediar durante largos períodos de tiempo y comparar las respuestas, lo cual es absolutamente esencial para validar las inferencias".
Gizon y su equipo han encontrado que el flujo es hacia el ecuador en la base de la zona de convección, con una velocidad de solo 15 kilómetros por hora (velocidad de carrera). El flujo en la superficie solar es hacia los polos y alcanza hasta 50 kilómetros por hora. La imagen general es que el plasma gira en un bucle gigantesco en cada hemisferio.
Sorprendentemente, el tiempo que tarda el plasma en completar el ciclo es de aproximadamente 22 años, y esto proporciona la explicación física del ciclo de once años del Sol. Además, las manchas solares emergen más cerca del ecuador a medida que avanza el ciclo solar, como se ve en el diagrama de mariposa.
"En general, nuestro estudio respalda la idea básica de que la deriva ecuatorial de los lugares donde emergen las manchas solares se debe a los flujos meridionales subyacentes", dice el doctor Robert Cameron, del MPS. "Queda por entender por qué el flujo meridional solar se ve como lo hace, y qué papel juega el flujo meridional en el control de la actividad magnética en otras estrellas", agrega Laurent Gizon.
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