Cómo puede una tormenta solar destruir nuestra civilización

El 1 de septiembre de 1859 el Sol le dio un disgusto a la Tierra. Ese día, el astrónomo británico Richard Carrington estaba observando el astro rey como venía haciendo desde el 28 de agosto, cuando nuestra estrella comenzó a dar signos inusuales de actividad. Enormes manchas solares y bruscos incrementos de luminosidad en algunas zonas -conocidos como fulguraciones o flares- llamaron la atención de la por entonces pequeña comunidad de observadores solares. A las 11:18 GMT, Carrington observó una violenta fulguración en medio de un grupo de manchas solares de gran tamaño que duró unos cinco minutos. Otros astrónomos, como Richard Hodgson, también la vieron. Para no verla. Porque, sin que Carrington lo pudiese saber, aquella fulguración había liberado una energía de 10³² ergios. Hasta la fecha, la más energética jamás registrada.

Grupo de manchas solares dibujado por Richard Carrington donde tuvo lugar la fulguración que lleva su nombre (Wikipedia).

La violenta fulguración vertió un torrente de partículas altamente energéticas justo en la dirección hacia nuestro planeta, lo que hoy conocemos como eyección de masa coronal o CME (Coronal Mass Ejection). Y no una CME cualquiera, sino una verdaderamente grande. Un hipotético astronauta victoriano que hubiese tenido la mala suerte de encontrarse en el espacio interplanetario en esos momentos habría recibido una dosis letal de radiación y habría muerto pocas horas o minutos más tarde. Apenas 17 horas después de producirse la CME, la tormenta de partículas llegó a la Tierra. Por suerte, el campo magnético terrestre se encargó de dirigir la mayor parte del flujo de partículas letales hacia los polos. La atmósfera, nuestra última línea de defensa espacial, absorbió el grueso de la radiación nociva. Pero los efectos de la tormenta no pasaron desapercibidos. Aparecieron auroras por doquier, incluso en zonas tan alejadas de los polos como Cuba o Santiago de Chile. La luz de las auroras era tan intensa que se podía leer el periódico de noche cerrada. Cuenta la leyenda que el resplandor era tan llamativo que despertó a varios grupos de mineros que buscaban oro en las Montañas Rocosas, los cuales comenzaron a preparar el desayuno pensando que era la luz del amanecer.

Zonas en las que se vieron auroras (círculos negros y blancos) durante la tormenta geomagnética del 2 de septiembre de 1859 (fuente).

Menos benignos fueron los efectos de la tormenta geomagnética sobre las líneas de telégrafos. Prácticamente la totalidad de las incipientes redes de comunicaciones dejaron de funcionar y en ciertas zonas los postes de telégrafo soltaron chispas y se incendiaron espontáneamente. En algunos casos, las líneas siguieron funcionando a pesar de haber sido desconectadas de su fuente de energía. Sin embargo, el Suceso Carrington, como sería conocida esta tormenta solar, apenas causó daños materiales en las infraestrcuturas de la época. ¿Qué pasaría si un suceso así tuviese lugar en la actualidad?

Antes de responder a esta pregunta, conviene aclarar un par de conceptos. Hace poco pudimos ver una impresionante imagen en luz ultravioleta del satélite SDO de la NASA en la que se aprecia una enorme protuberancia activa que sería expulsada hacia el espacio interplanetario durante una CME posterior. El tamaño de la protuberancia comparada con la Tierra habla por sí solo:

Enorme filamento sobre una zona activa del Sol visto por el satélite SDO en ultravioleta el 31 de agosto de 2012 (NASA).

No obstante, esta imagen puede dar la falsa impresión de que estamos viendo una gigantesca llamarada dirigida hacia nuestro planeta, cuando no es el caso. Es decir, lo que se ve en la imagen no es una eyección de masa coronal (que se produciría después), sino un 'vulgar' filamento o protuberancia. Un filamento no es más que una enorme cantidad de plasma -a menor temperatura que el plasma de la corona solar que lo rodea- suspendido por campos magnéticos (se llama protuberancia cuando se ve en el borde del disco solar). La parte interesante de la imagen es sin embargo la zona más brillante y aparentemente anodina que se ve en la fotografía tras el filamento. Esa zona es en realidad una de las regiones activas del Sol donde abundan los grupos de manchas solares. Dicho de otra forma, el peligro que representa una CME no es que una enorme llama salga del Sol y 'queme' la Tierra, algo imposible, sino los daños derivados de la radiación emitida durante la fulguración causante de la eyección de masa coronal y por las partículas de la CME propiamente dichas (que alcanzan velocidades de 1500 km/s). Podemos apreciar mejor lo que significa una CME si vemos el vídeo correspondiente a la imagen anterior (la imagen está acelerada):

¡Eso sí que es una CME! Una fulguración se produce cuando los campos magnéticos del Sol se reconectan de forma violenta, liberando una enorme cantidad de energía. A veces, como es este caso, da la casualidad de que tenemos un filamento o protuberancia en la zona donde se genera la CME, pero esto no ocurre siempre. Los campos magnéticos intensos inhiben la convección en la fotosfera, la 'superficie' visible del Sol, de ahí que en el espectro visible las zonas activas presenten un gran número de manchas solares. Porque una mancha solar no es más que una región de la fotosfera ligeramente más fría y oscura que el resto por culpa de la acción de los campos magnéticos. Eso sí, si observamos esta misma región en el ultravioleta o en rayos X, por ejemplo, veremos que es más brillante que el resto del disco solar, un fenómeno que se aprecia claramente en la imagen en ultravioleta del SDO.

En longitud de onda visible, la región donde se produjo la fulguración del 31 de agosto no parece gran cosa. Es el grupo de manchas en la parte inferior izquierda. Ni siquiera es el grupo más llamativo (NASA).

En este magnetograma se aprecia que la intensidad de los campos magnéticos en las zonas activas del 31 de agosto. Los dos colores representan zonas de distinta polaridad magnética (NASA).

Pero en rayos X sí que se ve la actividad de la región el 31 de agosto (NASA).

Pero vayamos a lo importante, ¿puede destruir una fulguración nuestra civilización? Los peligros que presenta una fulguración son de dos tipos. Por un lado, tenemos la radiación en forma de luz ultravioleta, rayos X y rayos gamma. Esta radiación se mueve obviamente a la velocidad de la luz y llega a nuestro planeta tan solo ocho minutos después de haber tenido lugar. Por suerte para nosotros, nuestra atmósfera absorbe la mayor parte de esta radiación, pero no ocurre lo mismo con los satélites y los astronautas, que carecen de este escudo protector. El fuselaje de los vehículos espaciales ofrece cierto grado de protección, pero en el caso de una gran fulguración la radiación puede dañar de forma irreversible la delicada electrónica de muchos satélites. Y no esto no es moco de pavo, porque debido a la alta dependencia que tiene nuestra civilización con respecto a los satélites de comunicaciones -por no hablar de los militares y sus satélites de observación de todo tipo-, una fulguración que dejase fuera de servicio, aunque fuese temporalmente, a varias decenas de satélites podría tener un efecto realmente grave en las comunicaciones mundiales. Por otro lado, la radiación ultravioleta y los rayos X de una fulguración pueden ionizar las capas exteriores de la atmósfera, interfiriendo o bloqueando las comunicaciones por radio durante horas o días.

Pero en realidad esto no son más que simples molestias. El verdadero peligro son las partículas de una eyección de masa coronal que llegan a la Tierra. Las fulguraciones son fenómenos muy complejos y la energía liberada por una de ellas no siempre se traduce en una CME, o mejor dicho, la energía de una fulguración no mantiene una relación lineal con la energía de la CME causada por la misma. Además, hay que tener en cuenta que debido a una simple cuestión de geometría, la mayoría de las CMEs no afectan a la Tierra. Las eyecciones de masa coronal son enormes agrupaciones de plasma formado por partículas cargadas de baja o media energía, pero con intensos campos magnéticos. Cuando los campos magnéticos de una CME interaccionan con el campo magnético terrestre, éste se ve sacudido profundamente. Se produce entonces una lucha entre las partículas cargadas de la ionosfera y los cinturones de radiación con los campos magnéticos que puede durar horas o días hasta que la situación se estabilice. Es lo que se conoce como tormenta geomagnética. La fuerza de la tormenta depende además de la orientación relativa del campo magnético de la Tierra y el de la CME. Si la nube de partículas posee un campo magnético con las polaridades opuestas al del campo terrestre, la tormenta será mucho mayor que en caso contrario.

La magnetosfera terrestre nos defiende del viento solar y de las tormentas solares (NASA).

Una CME vista en ultravioleta por el SDO el 7 de junio de 2011 (NASA).

Desde el punto de vista de la capacidad de penetración, las partículas 'problemáticas' de una CME son los protones energéticos, con una pequeña proporción de partículas alfa (núcleos de helio) y otros núcleos más pesados. Los protones son las partículas clave y es por eso que debemos prestar atención a los Sucesos de Protones Solares o SPEs (Solar Proton Events). En estos sucesos se emiten protones con energías de 10-100 MeV, aunque algunos pueden emitir protones con energías brutales, del orden 1-20 GeV. Esta elevada energía provoca que las partículas de un SPE puedan tardar en llegar a la Tierra apenas una hora o incluso...¡15 minutos! El campo magnético terrestre sólo nos defiende de los protones con energías de menos de 100 MeV. Por encima de los 500 MeV, los protones pueden alcanzar la superficie.

No debemos confundir los SPE con el viento solar, el flujo continuo de partículas -principalmente protones- que emite el Sol y que fluctúa de forma constante. Para complicar el asunto, no todas las CME importantes van asociados a un SPE grande, aunque lo contrario sí que ocurre prácticamente siempre (un 95% de las veces, para ser precisos). Por ejemplo, el Suceso Carrington causó el mayor SPE que se conozca. Por eso, bajo el nombre genérico de 'tormenta solar' se suelen agrupar tres fenómenos que, aunque relacionados, son distintos: fulguraciones, eyecciones de masa coronal (CME) y sucesos de protones solares (SPE). Los SPE pueden crear problemas de comunicaciones, matar astronautas o afectar a la capa de ozono, pero, en todo caso, son las CME son los fenómenos más importantes en cuanto a los posibles efectos perniciosos sobre nuestra civilización.

Las perturbaciones en el campo magnético terrestre causadas por una CME crean corrientes inducidas que pueden dañar las centrales energéticas y la red eléctrica, creando apagones masivos. Y esto no es una cuestión teórica. En 1972 la compañía norteamericana AT&T se vio obligada a rediseñar su sistema cables submarinos poco después de que una tormenta geomagnética bloquease parcialmente las comunicaciones telefónicas a larga distancia dentro de los EEUU. En 1989, otra tormenta geomagnética dejó sin electricidad a seis millones de personas en Québec. Y es que los efectos de una tormenta solar son similares al pulso electromagnético causado por una explosión nuclear en la alta atmósfera.

Puede que todo esto no te impresione. Al fin y al cabo, un fenómeno de este tipo difícilmente podría destruir nuestra civilización. Sin embargo, piensa que estos incidentes fueron causados por tormentas solares importantes, pero que ni de lejos se acercaban a la energía liberada por el Suceso Carrington. Si una tormenta solar de este tipo tuviese lugar hoy en día, provocaría el colapso de  muchas de las redes de comunicaciones y de transporte eléctrico en el planeta, además de dejar fuera de servicio decenas de satélites (incluyendo los GPS), causar numerosos incendios eléctricos y bloquear los sistemas de navegación de miles de aviones.

El talón de Aquiles son los grandes transformadores de las centrales eléctricas. Una tormenta geomagnética severa destrozaría muchos de los transformadores de alta tensión que estuviesen en funcionamiento por culpa de corrientes inducidas, lo que impediría restaurar el suministro eléctrico una vez pasada la tormenta. Como ejemplo, el 6 de abril de 2000, una tormenta geomagnética causó corrientes inducidas de hasta 270 amperios en un transformador del sur de Suecia. Para colmo, el número de unidades de repuesto de estos transformadores en circulación es muy limitado, algo lógico si tenemos en cuenta que suelen estar hechos a medida según la instalación y que pueden costar más de diez millones de dólares cada uno. En el peor de los casos, las fábricas que los construyen también quedarían fuera de servicio por culpa de la tormenta. Se cree que más del 50% de la red eléctrica de los EEUU podría quedar fuera de juego durante varios meses por culpa de un suceso de esta categoría.

Transformador de alta tensión de New Jersey dañado durante una tormenta solar el 13 de marzo de 1989 (fuente).

Como 'bola extra', los sistemas de distribución de petróleo, gas natural y agua potable también dejarían de funcionar durante semanas o meses en muchos lugares del planeta. Los oleoductos y gaseoductos sufrirían niveles de corrosión elevados por culpa de las corrientes inducidas, produciendo posibles fugas catastróficas. Toneladas de comida se echarían a perder en todos aquellos hogares y comercios sin generadores eléctricos propios. Se dispararía el precio de la gasolina y el gasoil, y en muchas zonas las reservas de combustible se agotarían, causando revueltas y serios problemas logísticos en hospitales, puertos y aeropuertos. Sin duda, moriría mucha gente y las pérdidas serían catastróficas. De hecho, se estima que el efecto de una tormenta de este tipo se traduciría en unas pérdidas de uno o dos billones -sí, con b- de dólares como mínimo únicamente en los Estados Unidos y la economía mundial tardaría una década en recuperarse. Vamos, justo lo que necesita la economía en estos momentos.

¿A qué ahora ya no te parece algo tan trivial? Pues tienes motivos para preocuparte, porque estas tormentas son totalmente impredecibles. Aunque se dan con más frecuencia durante los años de máxima actividad del ciclo solar de 11 años, pueden tener lugar en cualquier momento. De hecho, nadie sabe cada cuánto se produce una tormenta solar como el Suceso Carrington. La mayor parte de estimaciones coinciden en que una tormenta de este tipo solo afecta a la Tierra una vez cada 500 años más o menos, de acuerdo con el análisis de nitratos encontrados en las profundidades de los hielos árticos (los SPE intensos generan nitratos en la atmósfera). Por otro lado, estas mismas estimaciones sugieren que cada millón de años aproximadamente la Tierra puede sufrir los efectos de una fulguración un millón de veces más energética que el propio Suceso Carrington. Pero todo esto no dejan de ser estimaciones, así que, teniendo en cuenta la fragilidad de nuestra civilización, más nos vale estar preparados.

Probabilidad de un SPE en función de su energía. El suceso Carrington es el diamante situado cerca de la mitad del gráfico (fuente).

Tormentas solares que emitieron protones energéticos (SEPs) desde 1850. Destaca claramente el Suceso Carrington de 1859 (fuente).

Pero no estamos indefensos. Una red de satélites monitorizan continuamente el 'tiempo solar' y detectan todas las fulguraciones, incluso aquellas que se producen en el hemisferio del Sol no visible desde la Tierra -cortesía de los satélites STEREO-. De media, las partículas de una CME tardan entre dos o cuatro días antes de llegar a nuestro planeta, tiempo más que suficiente para prepararse para lo peor y poder apagar las redes eléctricas más importantes, desconectando los transformadores de alta tensión antes de que golpee la tormenta. No es que esto no ocasione pérdidas astronómicas, pero es la solución menos mala. No obstante, esto es en el mejor de los casos. La tormenta geomagnética del Suceso Carrington se produjo tan solo 17 horas después de producirse la fulguración, ya que varias CMEs previas habían 'limpiado' el medio interplanetario con antelación, allanando el camino para las partículas energéticas. En el caso de la tormenta del 4 de agosto de 1972, el tiempo de tránsito de las partículas se redujo a 15 horas. Y esto ya es más serio, porque menos de veinte horas es un tiempo claramente insuficiente para articular un plan de acción global.

Resumiendo, sin advertencia previa, un Suceso Carrington o superior causaría daños tan devastadores en sociedad actual que bien podría generar una tragedia global de magnitudes nunca vistas, aunque que esto traiga consigo el 'fin de nuestra civilización' es ciertamente discutible. Pero lo que resulta trágico de verdad es que, a pesar de lo mucho que tenemos que perder, no exista una estrategia de respuesta sólida para prevenir los efectos de una gran tormenta geomagnética. Y si de algo podemos estar seguros es que tarde o temprano se producirá alguna.

En todo caso, podemos dar gracias, porque el Sol es una estrella muy tranquila. Existen estrellas similares al Sol que producen fulguraciones diez millones de veces más energéticas que el Suceso Carrington. Estas superfulguraciones podrían destruir la capa de ozono en nuestro planeta y derretir los hielos polares, con todo lo que ello implica para la vida en la Tierra. Eso sí que sería el fin de nuestra civilización...y puede que de nuestra especie.

Supermanchas estelares en estrellas de tipo solar (nature.com).

Esta es la contribución de Eureka al XXXIV Carnaval de la Física, organizado por Hablando de Ciencia.

Más información:

• The 1859 solar-electrical disturbance and the current limits of space weather activity, E. W. Cliver y L. Svalgaard (Solar Physics, Springer, 2004).
• Solar Storms Effects on Nuclear and Electrical Installations.

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