Influencias cósmicas: los rayos cósmicos podrían tener un papel en la iniciación de los relámpagos. Crédito: Kristian Sekulic / Dreamstime.com.La ionización de la atmósfera producida por los rayos cósmicos tiene una influencia en la cubierta de nubes? Pensamos que durante más de una década, basado en datos del ciclo solar de 1985-1996. En este artículo, los autores describen su trabajo, que es un examen crítico de esta tesis. El análisis de la cobertura de nubes sobre la base de la latitud geomagnética sugiere que no existe una correlación causal con la intensidad de los rayos cósmicos que llegan a la atmósfera. El artículo también examina la cuestión preocupante de la activación de un rayo por los chorros de rayos cósmicos, y el posible papel de este fenómeno en la aparición y evolución de la vida en la Tierra.
En su trabajo pionero sobre los vapores sobresaturados, que comenzó en la década de 1890, C. T. R. Wilson encontró que las gotitas se condensaban sobre los rastros de ionización dejados por las partículas cargadas. Esto llevó a muchos avances positivos, uno de los más importantes fue el uso de la "cámara de niebla" en los inicios del campo de la física de partículas elementales. 50 años después, Edward Ney, en la Universidad de Minnesota, sugirió que los rayos cósmicos podrían tener una influencia sobre el clima (Ney 1959). Propuso que los iones de los rayos cósmicos actúan como centros de condensación de gotas de las nubes. Es obvio que esto no es el fenómeno que Wilson descubrió. Para hacer senderos de ionización visibles, las cámaras de niebla necesitan condiciones muy limpias y la sobresaturación en un nivel cuatro veces mayor que la saturación. Por el contrario, es raro encontrar condiciones de limpieza en la atmósfera y los niveles de sobresaturación casi nunca son de más de 1% por encima de la saturación.
Más recientemente, en 1997, Henrik Svensmark y Eigil Friis-Christensen, informaron de un vínculo entre las nubes y las partículas elementales (específicamente los rayos cósmicos) que ha sido utilizado para afirmar que los cambios en la intensidad de los rayos cósmicos causan cambios en la cubierta de nubes y podrían afectar el calentamiento global (Svensmark 2007). En este artículo se describe el trabajo que examina críticamente esta afirmación. Igualmente se aborda el fascinante tema de los relámpagos iniciados por cascadas de rayos cósmicos y su posible papel en el origen y la evolución de la vida.
Los rayos cósmicos y la nubosidad
Figura 1. Gráfico superior: la variación, con el tiempo, de la intensidad de los rayos cósmicos, presentado como la velocidad de recuento del monitor de neutrones en Climax, Colorado. Gráfico inferior: datos de nubes bajas de la Organización Internacional del Proyecto de Climatología de Nubes por Satélite (ISCCP, D2-IR data). Ambos gráficos cubren el período de dos ciclos solares separados por la línea punteada vertical en 1996.La figura 1 muestra los datos básicos utilizados para reclamar una correlación causal entre la intensidad de los rayos cósmicos (medidos por el monitor de neutrones operado por la Universidad de Chicago en Climax, Colorado) y la cubierta de nubes baja (a altitudes por debajo de 3,2 km, medidas por los satélites). Los datos de la figura son para el período 1985 a 2008, que abarca dos ciclos solares. En el ciclo 22do (1985-1996) la correlación entre la intensidad de los rayos cósmicos y las nubes bajas era fuerte y este fue el origen de la reclamación. Sin embargo, el próximo (23ro) ciclo solar ya ha pasado (1996-2007) y la correlación es mucho más difícil de ver. Esto sugiere que la observación de 1985-1996 habría sido "accidental" y fue el efecto de algo completamente diferente (como la temperatura). Sin embargo, vamos a poner esto a un lado y considerar si la aparente correlación es causal.
Una prueba de la hipótesis causal es examinar la correlación en función de la latitud geomagnética. Los 11 años de la variación de rayos cósmicos se hace más grande en latitudes más altas magnéticas debido al efecto del campo magnético de la Tierra. Cerca del ecuador magnético entran menos rayos cósmicos de baja de energía en la atmósfera de la Tierra que cerca de los polos. Este efecto se mide por la reducción del recorte de la rigidez vertical (VRCO) - la rigidez mínima de un rayo cósmico primario para llegar a la atmósfera de la Tierra- que se calcula a partir del valor local del campo magnético del planeta. Nuestro análisis se ha centrado en las diferencias entre la cubierta de nubes bajas en los mínimos de energía solar en 1985 y 1996 y en el máximo solar en 1990 a diferentes VRCO (Sloan y Wolfendale 2008). Luego fueron comparados con los cambios en la tasa de rayos cósmicos, medida a partir de monitores de neutrones situados en todo el mundo (figura 2). Si el baño en la cubierta de nubes bajas observada en 1990 fue causado por la disminución de la ionización de los rayos cósmicos, entonces todos los puntos en la figura 2 seguirán la línea de la variación de los rayos cósmicos, marcada NM. Ellos no lo hacen.
Figura 2. La profundidad de la inmersión en la cubierta de nubes bajas (LCC) en 1990 en comparación con los valores de LCC en 1985 y 1995 para los datos en diferentes latitudes geomagnéticas, representada por el recorte de la rigidez vertical (VRCO). La curva de la etiqueta NM muestra la variación en los rayos cósmicos durante los 11 años de ciclo solar, también conspiró contra VRCO. Los valores se agrupan en los rangos de latitud geográfica indicada.Los rayos cósmicos no son la única fuente de ionización en la atmósfera. Hemos visto los cambios en la cubierta de nubes asociados con una variedad de otras fuentes. La ionización liberada en los ensayos de armas nucleares en la atmósfera es un ejemplo que hemos examinado. A grandes distancias del centro de ensayo, los niveles de radiación son altos, pero los demás efectos de la explosión son insignificantes. Por ejemplo, las mediciones muestran que la prueba Bravo (la mayor de las pruebas de Estados Unidos), en la que explotó un dispositivo de 15 megatones en el atolón de Bikini el 1 de marzo. de 1954, produjo niveles de radiación de 100 R/h (R/h es la tasa de exposición a la radiación en Roentgen/hora) en una distancia de 480 km de la explosión . Esto corresponde a 5x107pares ion/cm3, es decir, siete órdenes de magnitud de ionización más que el producido por los rayos cósmicos. Sin embargo, no se observaron efectos sobre la cubierta de nubes. Esto muestra que la eficiencia de conversión de iones a gotas en las nubes debe ser baja. Del mismo modo, se examinaron las concentraciones de radón en diversas partes del mundo para ver si las regiones de radón alto tuvieron más cubiertas de nubes que sus vecinos con las concentraciones de radón bajo. También examinamos la ionización liberada en el desastre de Chernobyl en 1986. Una vez más, no encontramos ningún efecto significativo de la ionización en la cubierta de nubes.
Recientemente, el grupo de Svensmark examinó la llamada reducción de Forbush en la intensidad de los rayos cósmicos, que es causada por las eyecciones de masa coronal solar. El grupo encontró que las seis más fuertes (en los últimos 20 años) son seguidas por descensos significativos en la cubierta de nubes bajas y en otros indicadores de contenido de agua en la atmósfera. Hemos examinado con detalle las pruebas y concluimos que no sólo es estadísticamente débil, sino que también necesita largos períodos de tiempo (6-9 días) para que el cambio en el flujo de rayos cósmicos se manifieste a sí mismo como cambios en la cubierta de nubes o en el contenido de agua de las mismas.
La correlación entre la cubierta de nubes bajas y los rayos cósmicos en la figura 1 es de suponer, por lo tanto, no causal, porque hemos encontrado que la ionización no es eficiente en la obtención de la cubierta de nubes. Una causa más probable se refiere a la radiación solar, sobre todo porque el cambio en el contenido de energía de la radiación solar es de aproximadamente 108 veces mayor que la de los rayos cósmicos. En este contexto, Mirela Voiculescu Dunarea, de la Universidad de Jos en Rumania, y sus colegas, demostraron correlaciones entre cubierta de nubes bajas y la tasa de rayos cósmicos o la radiación solar en un área geográfica limitada (Voiculescu et al. 2006). Estas zonas cubren menos del 20% de la superficie del globo. Un examen detallado de estas regiones geográficas revela que sólo la correlación entre la radiación solar y la nubosidad se observa en ambos ciclos solares. Por el contrario, la correlación que existe con los rayos cósmicos no aparece en ninguno de los dos ciclos.
La variación en la radiación solar sobre el ciclo de 11 años es una causa mucho más plausible de posibles correlaciones con la cubierta de nubes que los rayos cósmicos; de hecho, Joanna Haigh, del Imperial College de Londres, ha modelado tal efecto (Haigh, 1996). Una comparación de la variación a largo plazo de la temperatura global promedio de la superficie con la actividad solar a largo plazo, muestra que menos del 14% del calentamiento global observado en los últimos 50 años proviene de las variaciones en la actividad solar.
Esto no quiere decir que la ionización no tiene ningún efecto sobre el clima en absoluto. Muy bien puede ser un efecto interesante sobre el circuito eléctrico terrestre, que parece ser afectado por los rayos cósmicos. Sin duda CLOUD, el experimento en marcha en el CERN, arrojará más luz sobre este problema y nos dirá lo mucho que este efecto influye.
Los relámpagos y el origen de la vida
Las consecuencias del trabajo descrito arriba han sido de interés en el papel de los rayos cósmicos en un efecto de las nubes particularmente dramático: un relámpago. Alexander Gurevich y Kirill Zybin, del Instituto de Física Lebedev en Moscú, sugirieron en 2002 que los chubascos atmosféricos (EAS), creados por los rayos cósmicos, desempeñan un papel clave en el inicio de los primeros ataques del relámpago. Esto ha sido confirmado en las observaciones más recientes en la estación de montaña de rayos cósmicos en Tien-Shan, del Instituto Lebedev, por Gurevich y sus colegas.
Este fenómeno tiene una posible relevancia para el origen de la vida en la Tierra. Los actuales modelos favoritos para este origen, o bien están en los cometas o en el espacio ultraterrestre, como Fred Hoyle y Chandra Wickramasinghe han sugerido, o en los fumadores de negro o los respiraderos alcalinos que son el resultado de la actividad volcánica en las profundidades oceánicas. Sin embargo, otra posibilidad se desprende de los famosos experimentos iniciales de Stanley Miller y Harold Urey, en el cual ellos pasaron una chispa a través de una mezcla de líquidos (agua, metano, amoníaco, etc) - la "sopa prebiótica"-. Esto dio lugar a la aparición de los bloques de construcción básicos de la vida, tales como los aminoácidos, ARN y monómeros. Uno de los problemas, sin embargo, fue que la energía disponible para la chispa, proveniente de un rayo, se creía que era insuficiente.
Figura 3. Variación de la intensidad de los rayos cósmicos de diferentes energías, se indica en el lado derecho del gráfco, más de 1 My a partir del modelo de remanente de supernova de Erlykin y Wolfendalede, 2001. Para mejorar la visibilidad, las intensidades de 1 y 10 PeV se incrementan a 2 y 10, respectivamente. Aquí es donde la variabilidad a largo plazo de las tasas de los EAS, los chubascos atmosféricos, puede tener relevancia. Hemos demostrado que debería haber períodos durante los cuales la tasa de EAS fue superior en varios órdenes de magnitud a la de la actualidad (Erlykin y Wolfendale 2001). Nuestra teoría se basa en la naturaleza estadística de las explosiones de supernovas, que se cree que son las responsables de los rayos cósmicos de alta energía. La Figura 3 muestra cómo, de vez en cuando, en períodos de decenas de miles de años se producirán rayos cósmicos de alta intensidad, cuando una supernova cercana explota. Esto dará lugar a tasas altas de relámpagos. Uno de ellos, se produce alrededor de 4 Gy (giga años) antes del presente (un suceso no muy probable), podría haber llevado a la formación de los bloques de construcción de la vida a través del mecanismo de Miller-Urey. Entonces la vida podría haber evolucionado a partir de esa clase de inicio.
Tal vez menos especulativo es el papel del NOx (NO + N2O) generado por las descargas atmosféricas. Parece que casi el 20% de la concentración actual de NOx es producido por un relámpago. Su ritmo de producción sin duda varía considerablemente. El crecimiento de NOx es venenoso para los mamíferos, pero promueve el crecimiento de las plantas, por lo tanto, es muy probable que tenga un efecto sobre la evolución de las especies, tanto positivo como negativo.
En conclusión, la interacción de los rayos cósmicos con la atmósfera de la Tierra es un tema de considerable interés. Aunque es poco probable que los rayos cósmicos representen una contribución significativa al calentamiento global, su contribución a al fondo de núcleos de condensación de nubes en aerosol puede ser significativa; el experimento CLOUD tiene un gran papel que desempeñar en el esclarecimiento de la interesante ciencia involucrada. En un ámbito más amplio, no sería sorprendente que los efectos eléctricos en la atmósfera, iniciados por los rayos cósmicos, hayan desempeñado un papel en la evolución de los habitantes de la Tierra.
Fuente:
Cosmic rays, climate and the origin of life (CERN COURIER)
Autores: Anatoly Erlykin, Instituto de Física PN Lebedev en Moscú; Terry Sloan, de la Universidad de Lancaster, y Arnold Wolfendale, Universidad de Durham.
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