Con los ojos de la inteligencia artificial se observan las capas más profundas del Sol

Experto en astronomía utilizó redes neuronales generativas, un tipo de inteligencia artificial (IA) que simula con mayor precisión y rapidez el campo magnético de las capas más profundas del Sol, incluso más allá de la fotósfera o superficie visible del astro rey. La innovación sería un hito en la comprensión de esta estrella, su funcionamiento, liberación de energía e impacto en la atmósfera terrestre.

Con la guía de los profesores Santiago Vargas, del Observatorio Astronómico Nacional, y Sergiy Shelyag, de la Universidad Flinders (Australia), el investigador Germain Nicolás Morales Suárez, magíster en Astronomía de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL), estimó y generó una imagen de algo que los científicos en el mundo pueden tardar meses en determinar: los cambios en el campo magnético del Sol, el cual es generado en el interior y emerge a la superficie.

Se trata específicamente de la zona convectiva, uno de los puntos que transfiere la mayor cantidad de radiación y energía hacia el espacio, y que le da una apariencia “granulada”.

Según el magíster Morales, entender estas zonas solares activas es relevante porque incide en el clima espacial, pues las manchas y erupciones presentes allí pueden dar lugar a tormentas solares afectando las comunicaciones por satélites, las redes eléctricas, los sistemas de navegación y otros dispositivos electrónicos en la Tierra.

Además es importante para determinar la cantidad de energía que llega a la atmósfera de la Tierra y su contribución en la temperatura, que se ha incrementado en los últimos años.

“Hoy existen dos formas de hacer cálculos sobre las capas del Sol observando y simulando sus estructuras, pero esto se hace especialmente para la fotósfera y las capas más externas, ya que en el interior solar hay zonas profundas que aún no entendemos porque no las podemos observar”, asegura el experto en astronomía.

“Uno de los métodos más usados es la solución de ecuaciones y el desarrollo de simulaciones computacionales pero toma mucho tiempo, tanto por su complejidad como por la necesidad de expertos y la potente capacidad de cómputo que se requiere. También están los  instrumentos de observación como telescopios especializados que son demasiado costosos y su información se limita a la superficie y atmósfera solar”.

Por eso el investigador buscó una alternativa para ahorrarle tiempo y dinero a sus colegas: la IA, ya que usando las redes neuronales generativas –de las que se habla en este campo desde 2011, pero que ganan mayor protagonismo desde 2022– realizó un trabajo pionero en el que obtuvo simulaciones e imágenes de zonas convectivas del Sol con una precisión impresionante en tan solo días, y que guarda una similitud fiable con los cálculos que se han hecho en otros países.

La red neuronal que implementó tiene un error que llega apenas al 5 %, lo cual en este campo significa un rendimiento óptimo y permite determinar valores de temperatura y densidad, además   del comportamiento de la energía, pero en especial los cambios en el campo magnético del Sol y su relación con el plasma, el cuarto estadio de la materia que se presenta a altas temperaturas y genera radiaciones elevadas.

“La red neuronal se encargó de analizar bases de datos con alrededor de 2 terabytes de información de un proyecto llamado MURaM que simula las capas del Sol a partir de ecuaciones de la física, realizado entre 2001 y 2005 por grupos de investigación del Instituto Max Planck, en Alemania, país que con Estados Unidos, España y Reino Unido lleva la delantera en estos temas”, indica el magíster.

La red neuronal genera simulaciones en tres dimensiones, en las que se evidencian cambios en la intensidad de los campos magnéticos que van desde alrededor de los 3.000 Gauss (G) –unidad también conocida como inducción de flujo magnético–, en zonas convectivas y profundas, hasta unos 300 G en la fotósfera, lo cual no se había logrado con este tipo de algoritmo y representa un avance fundamental para este campo.

“La similitud que se consigue es invaluable, y, aunque utilizamos un computador que no es el más avanzado, es solo el comienzo de este tipo de análisis y la oportunidad de seguir mejorando en la identificación de aquellas zonas que aún desconocemos para indagar sobre la formación y evolución del campo magnético en el interior solar”, destaca.

La investigación y las simulaciones se llevaron a cabo en el lenguaje de programación Python, que es uno de los códigos más utilizados en el mundo y que permite usar bibliotecas y herramientas que facilitan el proceso.

El algoritmo desarrollado empezó usando imágenes en dos dimensiones para la red neuronal y se fue mejorando para implementar redes 3D que puedan estudiar la verdadera naturaleza el campo magnético solar.

Como en una foto: observan en píxeles cómo se mueve la humedad por las cordilleras colombianas

 La cordillera de los Andes entra a Colombia dividida en tres ramificaciones y funciona como una barrera natural impidiendo la entrada y salida de vientos que transportan humedad, fundamentales para la ocurrencia de lluvias, la presencia de ríos y la disponibilidad de agua en general. Por primera vez se examinó en el país la circulación de los vientos en la atmósfera, según la altura de cada montaña que rodea las cuencas de los ríos Magdalena y Cauca. El nuevo método de análisis constata la importancia de estudiar el paisaje colombiano solo, pues es muy distinto a cualquier otro en el mundo.

Los paisajes de Colombia sorprenden no solo por su belleza sino también por sus particulares dinámicas naturales: lluvias, vientos o radiación solar. “Por ejemplo aquí la circulación atmosférica –es decir, los vientos que se mueven en el país– es especialmente compleja por la proximidad con el Pacífico y el Atlántico, la cuenca del Amazonas y los Llanos colombo-venezolanos”, explica Mónica Andrea Bonilla Rodríguez, magíster en Ingeniería - Recursos Hidráulicos de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL) Sede Medellín.

Los vientos transportan la humedad a la troposfera, que es capa de la atmósfera que está en contacto con la Tierra, donde están las nubes, por ejemplo; por eso influyen en la presencia de lluvia, ríos, quebradas y aguas subterráneas, fenómenos fundamentales para el equilibrio y la vida en el planeta, por eso ha sido importante estudiar su dinámica.

“Aunque algunos investigadores han evaluado la incidencia de los Andes en la circulación de estos vientos, hasta ahora no se había profundizado a escala regional ni con datos de reanálisis (comparando con otras investigaciones), por eso decidí trabajar con las cuencas de los ríos Magdalena y Cauca”, señala la magíster Bonilla.

Para eso propuso un nuevo método que consiste en representar las cordilleras con tamaño de pixel (serie de cuadritos similares a los que componen una fotografía y que se ven al hacer zoom), pero relacionados con imágenes satelitales que muestran a qué altura sobre el nivel del mar está una porción de terreno o pixel específico.

“Estas delimitaciones pueden variar de tamaño, y por ende de resolución o detalle. Nosotros propusimos hacer el estudio con píxeles de 0,25 que, a escala real, pueden ser recuadros de 25 km X 25 km”, explica.

Así, “delineó” el filo de la cordillera apuntando cada altura por pixel y representando cada irregularidad. “Gracias a esto calculamos la presión atmosférica en cada zona, hicimos otros análisis matemáticos y llegamos a hallazgos como estos: la cuenca del Magdalena no tiene ingresos directos de humedad proveniente del Pacífico, los vientos llegan a la cuenca del Cauca, pero no superan la cordillera Central”.

De igual forma, constató que en la zona norte de la cuenca del Magdalena –en municipios como Puerto Triunfo– hay mucha humedad y lluvia porque no existe una “barrera” frente a la costa Caribe. Al respecto menciona que “nuestras condiciones hidrológicas tienen mucha variabilidad a causa de las montañas, por eso es crucial hacer estudios específicos para esta zona del país, porque no se comporta como ninguna otra en el mundo”.

Así mismo, con el objetivo de aprovechar la nueva información, probó 4 modelos globales para proyectar qué pasaría con los flujos de humedad en condiciones extremas de cambio climático, con miras a los años 2050 y 2100.

“Para este punto no obtuvimos resultados muy concluyentes, porque lo que hicimos fue interpolar y analizar datos globales en escalas locales. Sin embargo, uno de los modelos que mejor se comportó (siguiendo la línea de datos históricos) mostró un aumento de lluvias de casi el 40 % en la cuenca del Magdalena y de menos del 6 % en la cuenca del Cauca. Aunque no es un hallazgo confiable, sí es otra puerta que queda abierta para investigaciones futuras más precisas”, concluye la magíster Bonilla.