ESTUDIO DEL CICLO SOLAR DE CARRINGTON NÚMERO 24 DESDE UN OBSERVATORIO URBANO NO PROFESIONAL
Jorge Luis del Rosario García
Introducción
Este trabajo ha sido realizado con los datos obtenidos a través de observaciones solares personales realizadas desde la terraza de mi casa en el centro de la ciudad de San Cristóbal de la Laguna, Tenerife (Islas Canarias). Los resultados obtenidos de estas observaciones han sido contrastados con los datos acumulados por los observadores de PARHELIO (http://www.parhelio.com/) y de SILSO (Sunspot Index and Long-term Solar Observations: https://wwwbis.sidc.be/silso/home) sección del SIDC (Solar Influence Data Analisys Center: http://www.sidc.be/) que se encarga de recopilar y tratar la observaciones realizadas sobre el Número de Wolf (Ri) por observatorios tanto profesionales como de asociaciones de astrónomos aficionados o particulares, alrededor de todo el mundo.
El instrumental utilizado para realizar las observaciones solares ha sido un telescopio refractor de 3” a f/13 sobre montura acimutal y con un filtro de vidrio de Thousand Oaks Optical 2+. La captura de imágenes se realizó con una cámara Canon EOS 600D y el software utilizado para la reducción de las observaciones y la obtención de los resultados fue el programa SOL creado por Javier Ruiz Fernández (PARHELIO).
Observaciones
Las observaciones se intentó que fueran lo más continuadas posibles. Lo más interesante sería poder realizar una observación diaria y más o menos a la misma hora y eso es lo que se intentó, aunque esto no siempre fue posible. Nos encontramos entonces con dos franjas de observaciones: las realizadas por la mañana, en torno a las 10:00; y las realizadas por la tarde, en torno a las 17:00 (Siempre hablamos de tiempo Universal). Las condiciones climatológicas y personales hacen que mantener una continuidad en las observaciones no siempre sea posible.
Para este trabajo se han realizado un total de 2042 observaciones durante los 4748 días que abarcan el periodo de 13 años que ha durado aproximadamente este ciclo 24 de actividad solar, desde el año 2008 hasta el 2020.
En cuanto al número de observaciones se pudo cubrir el 43% de los días observables, pudiendo realizarse una media de 157 observaciones al año, aunque no se haya podido hacer ni la mitad de las observaciones posibles, ha sido suficiente para que los resultados obtenidos se ajusten bastante bien a los obtenidos por otros observadores y nos desvelen cuestiones interesantes de las que hablaremos a lo largo de este artículo.
Para hacer un seguimiento de la actividad solar se han utilizado varios índices de actividad basados en trabajos de otros astrónomos. Entre los que podemos nombrar: las observaciones a simple vista (SV), grupos de manchas (g), focos (f), Número de Wolf (Ri), área de de las manchas solares (A), índice de Beck e índice de McIntosh (CV after Malder).
Por otro lado se ha realizado un estudio sobre el movimiento propio de las manchas solares sobre la fotosfera.
Todas estas observaciones se han realizado sobre imágenes del disco solar completo.
ANÁLISIS DE RESULTADOS
1.- Observaciones a simple vista (SV):
Estas observaciones se realizan usando únicamente un filtro para mirar un minúsculo disco del Sol (abarca no más de medio grado en el cielo) en el que se pueden observar únicamente los grupos de manchas que sean muy grandes y que estén muy desarrollados. Estos grupos se ven como diminutos puntos oscuros en el ya diminuto disco del Sol.
En la gráfica se puede ver como hay un máximo a finales de 2011 y a partir de ahí, la caída al mínimo.
No se hicieron observaciones a simple vista desde el 2008 hasta finales del 2010, por lo que no se ve la subida a ese máximo.
Sin embargo, sí se muestra como la observación a simple vista nos permite hacer un seguimiento razonable de la actividad solar, marcando claramente la bajada del máximo de actividad y la llegada al mínimo.Esta observación es compleja porque a simple vista solo se pueden detectar las manchas más grandes y desarrolladas y aún así, dependiendo de las condiciones atmosféricas, muchas veces no son observables por lo que la dispersión en los datos es muy grande.
2.- Comparación entre el Índice de Beck y el Índice de Mc Intosh (CV after Malder):
Estos son otros índices alternativos al clásico Número de Wolf (Ri). Ambos están basados en la clasificación tipológica de las manchas solares, es decir, en qué estado de desarrollo se encuentran. Estos índices asignan un peso al tipo de manchas solares que se observan dependiendo de la clasificación de Zürich o la variación de dicha clasificación tipológica propuesta en el índice de Mc Intosh. Las manchas muy desarrolladas pesan más y las menos desarrolladas y las decadentes pesan menos.
Debido a los diferentes pesos que asignan ambos índices tenemos que cambiar la escala de los datos para poderlos representar en la misma gráfica y así poder compararlos. Para ello se multiplica por 10 el Índice de McIntosh.
Debido al tipo de observaciones realizadas no fue posible calcular ambos índices antes del año 2010, por lo que nos faltan datos para los dos años anteriores.
Sin embargo, como se puede observar en la gráfica, independientemente del índice utilizado, se puede ver que la tendencia de la actividad se mantiene usando el promedio anual de ambos índices. En la gráfica se muestra perfectamente el máximo de actividad en el año 2014.
Es interesante comparar los resultados con el Número de Wolf (Ri) ya que es el índice de actividad de referencia.
Como se observa en los residuos calculados, el ajuste es realmente bueno, ambos índices se ajustan perfectamente de forma lineal con el Número de Wolf (Ri), manteniendo ambos una proporcionalidad directa.
3.- Área de las manchas solares:
Estas áreas se han medido con imágenes del disco solar completo y para su medida se ha utilizado el programa SOL ya nombrado anteriormente. Los valores calculados representan las millonésimas partes del hemisferio solar observable que ocupa el grupo de manchas.
En realidad, es otro índice más, otra forma de poder medir el ritmo de la actividad solar, para medir mejor el área deberíamos tratar cada grupo de manchas de forma individual, pero esto no siempre es posible hacerlo, es importante tener para ello: tiempo, calidad del cielo, etc. Por otro lado, observar el disco completo permite que en una sola observación podamos obtener datos para todos los índices de actividad, por esta razón y porque los resultados obtenidos explican la evolución del ciclo perfectamente, podemos considerar que esta forma de medir el área con el disco completo resulta muy apropiada.
En este caso, la gráfica muestra más claramente el característico doble máximo, teniendo lugar el máximo principal en el año 2014. Este resultado concuerda con el obtenido con los otros dos índices anteriores.
Y viendo la comparación entre la observación de las áreas con respecto al Número de Wolf (Ri) podemos concluir que el comportamiento es ajusta perfectamente, manteniendo la proporcionalidad directa.
4.- El Número de Wolf (Ri):
La actividad solar de este ciclo ha sido baja en comparación con ciclos anteriores, además ha sido un ciclo largo, de mínimo a mínimo han pasado unos 13 años, es verdad que el comienzo del ciclo se hizo esperar, ya que tuvimos mucho tiempo sin manchas hasta que por fin arrancó la actividad del ciclo.
Desde el 2008, año del mínimo, hasta el 2014, año del máximo, transcurren 7 años de aumento en la actividad y sin embargo la disminución de esta actividad se produce en 6 años, hasta el 2020, año del siguiente mínimo. Siendo la subida más lenta que la bajada.
Por otro lado, el máximo, aunque con baja actividad, fue un máximo largo, la relativa alta actividad duró aproximadamente desde junio de 2011 hasta marzo de 2016.
Al representar el promedio mensual del Número de Wolf (Ri) se puede ver una estructura del ciclo bastante ruidosa (las observaciones diarias no merece la pena representarlas ya que la señal en este caso sí que es extremadamente ruidosa), sin embargo al compararla con los promedios realizados por los grupos PARHELIO y SILSO (SIDC), se puede comprobar que se ajustan perfectamente, por lo que esto nos da confianza en que las observaciones realizadas mantienen cierta calidad.
La curva más suavizada es la del SILSO debido al gran número de observadores que mejoran los resultados a la hora de hacer el promedio.
Resulta más interesante la representación gráfica que se obtiene al promediar las observaciones anualmente. Esta representación es menos ruidosa y nos permite analizar mejor el ritmo de la actividad solar.
En ambas gráficas la línea azul corresponde a las observaciones personales.
Si ahora separamos las observaciones por hemisferios y las comparamos se puede ver la causa de esa meseta que se observa.
Además, se puede comprobar que la actividad solar no lleva el mismo ritmo en ambos hemisferios, existe cierta asimetría y el comportamiento en el norte no es igual que en el sur. Se puede ver como en el hemisferio norte el máximo de actividad no es tan alto como en el sur, sin embargo es bastante prolongado en el tiempo; mientras que el máximo de actividad en el hemisferio sur es más en pico, localizado en un periodo de tiempo más corto y la actividad es más intensa. Por otra parte, la actividad en el hemisferio norte comienza antes que en el hemisferio sur y de hecho, termina más tarde.
El ritmo en el norte es más calmado, por el contrario, en el sur es más explosivo. Se podría considerar que la actividad en el hemisferio norte tuvo un pico en el año 2011 y luego decae a una meseta de actividad elevada durante 5 años, mientras que en el hemisferio sur, la actividad sube hasta alcanzar su máximo en el año 2014 y decae rápidamente.
Normalizando la actividad, dividiendo la diferencia de actividad entre el norte y el sur entre la suma de la actividad entre el norte y el sur podemos identificar que hemisferio es más activo en cada momento, como se puede ver en la siguiente gráfica.
La actividad en el norte ha sido más constante lo que deriva en esa meseta en el máximo, sin embargo, en el sur la actividad es muy baja, salvo en el momento del máximo en el año 2014 que es poco duradera, pero intensa.
Ajustando los promedios mensuales a polinomios, en nuestro caso de grado 6, tanto totales como por hemisferios podemos calcular cuando aparecen los máximos de actividad.
Al probar con polinomios de varios grados se encontró que el de grado 6 daba el mejor ajuste. Con un R2 = 0.836 para el ajuste al número total de Wolf, un R2 = 0.657 para el ajuste de los datos del hemisferio norte y un R2 = 0.723 para el ajuste de los datos del hemisferio sur.
Estudiando estos ajustes podemos calcular un máximo total para finales del año 2013. Para la actividad por hemisferios, el máximo en el norte se calcula para principios del año 2013 y en el sur para principios de 2014.
5.- Posición de las manchas solares y movimiento propio:
Los grupos de manchas solares observados se han distribuido según lo esperado, como se puede ver en las siguientes representaciones:
El grueso de las manchas solares apareció entre las latitudes de 10º y 20º tanto en el hemisferio norte como en el hemisferio sur. Por otro lado, en latitudes bajas se puede ver que en el hemisferio norte hay un mayor número de emersiones que en el sur. Sin embargo, en cuanto a las latitudes altas, el hemisferio sur acumula mayor número de emersiones que el norte.
Al representar las posiciones de las manchas según fueron apareciendo por latitud podemos obtener un diagrama de mariposa característico de los ciclos solares.
Se pueden ver algunos grupos de manchas observados al principio del año 2008 que corresponden al ciclo 23 y otros grupos de manchas al final del año 2020 que son ya del ciclo 25.
El diagrama de mariposa es un excelente marcador del ciclo de actividad solar.
Cuando se habló de la evolución del ciclo de actividad por hemisferios, se explicó que en el norte la actividad fue poco intensa, pero prolongada. Sin embargo, en el sur la actividad fue explosiva y muy intensa, concentrando la gran mayoría de los grupos en un intervalo de tiempo entorno al máximo de actividad. En el diagrama de mariposa se ve como la distribución de los grupos de manchas en el hemisferio norte es más homogénea a lo largo del ciclo, mientras que en el hemisferio sur los grupos de manchas se concentran en una región más compacta.
El Sol no es un cuerpo sólido y rota de forma diferencial, llevando una velocidad mayor en el ecuador que en los polos.
En esta gráfica se promediaron las velocidades de las manchas para tramos en latitud de 10º en 10º. Y se puede ver como en latitudes ecuatoriales la velocidad alcanza casi los 15º/día, mientras que en latitudes en torno a los 40º la velocidad se reduce casi a los 12º/día.
En esta gráfica representamos hacia donde se desplazan y cuanto se desplazan los grupos de manchas solares en su movimiento sobre la superficie del Sol. Se puede ver que hay una pequeña asimetría entre hemisferios, siendo en el sur donde en latitudes en torno a los -40º parece que la velocidad, incluso es mayor.
Aparte de la rotación del Sol, las manchas solares también realizan un movimiento local desplazándose por la fotosfera solar, a este movimiento se le llama movimiento propio. En este movimiento las manchas se desplazan a favor de rotación o en contra de la misma manteniendo más o menos su latitud, e incluso rotan sobre ejes propios de la región activa.
El desplazamiento a favor de rotación solar predomina respecto al que va en contra, en la gráfica anterior se ve como la distribución de puntos se concentra la derecha del eje (desplazamiento hacia el este). Estos desplazamientos se agrupan en un intervalo que va desde los 0 hasta los 5 grados. El promedio en los desplazamientos calculado es de 1.8º ± 0.4º.Si medimos las velocidades con las que los grupos de manchas se mueven en longitud y calculamos su módulo y las promediamos para tramos de latitud de 10º en 10º se puede ver como éstas se concentran en un intervalo de velocidades entre 0 y 1000 Km/h.
El promedio de las velocidades calculado para todas las manchas solares observadas es de 254.9 ± 37.6 Km/h.
Para hacer los promedios tanto de desplazamiento como de velocidades se utilizaron las observaciones realizadas durante los años que van desde el 2013 al 2020. Para el año 2008 no hay observaciones y desde el año 2009 al 2012 los errores en las observaciones son demasiado grandes como para poderlas tener en cuenta, como se puede ver en la siguiente gráfica.
Conclusiones
El ciclo de actividad solar ha sido largo, con una duración de mínimo a mínimo de unos 13 años. No ha sido un ciclo muy activo en comparación con otros ciclos, si utilizamos el Número de Wolf (Ri) como índice, el máximo no supera el valor de 180, mientras que otros ciclos son capaces de alcanzar valores superiores a 200.
El ciclo de forma global tarda 7 años en alcanzar un máximo de actividad entre el año2013 y el 2014 y luego mantiene su bajada al mínimo durante 6 años. Si lo estudiamos por hemisferios nos encontramos con una asimetría enorme entre ambos hemisferios. El hemisferio norte alcanza el máximo más rápido, tan solo en 4 años ya toma su máximo valor que es más bien bajo Ri < 60, pero eso sí, no tiene una bajada al mínimo clara, sino que se mantiene en una meseta de actividad entorno a Ri = 40 durante unos 5 años y luego está otros 4 años para llegar al mínimo de actividad. Mientras que el hemisferio sur está unos 6 años de subida progresiva hasta alcanzar el máximo de actividad que en este caso es mayor que en el norte, alcanzando un Ri < 90, manteniendo estos valores durante un año aproximadamente para luego reducir su actividad de forma progresiva durante otros 6 años hasta el mínimo.
La actividad solar en el hemisferio norte ha sido menor pero más prolongada en el tiempo, mientras que en el hemisferio sur ha sido mayor y más instantánea.
Por otro lado, es interesante comprobar como de forma independiente y atendiendo a diferentes magnitudes observadas, todos los índices muestran de forma más o menos eficiente la evolución del ciclo de actividad, incluso el observar las manchas solares a simple vista.
Bibliografía:
PARHELIO (http://www.parhelio.com/)
SILSO (Sunspot Index and Long-term Solar Observations: https://wwwbis.sidc.be/silso/home)
SIDC (Solar Influence Data Analisys Center: http://www.sidc.be/)
CV – Helios Network (https://www.cv-helios.net/)
El Sol, una biografía (David Whitehouse. Ed.KAILAS)
El Sol (Candido Rodríguez. AAA)
Compendium of practical astronomy V.2 Earth a Solar System (Günter Dietmar Roth. Ed. Springer-Verlag)
ASTROHOBBY (http://astrohobby-jorge.blogspot.com/)