Introducción al Clima Espacial

Todos saben que el Sol tiene gran importancia para la vida en la Tierra, pero muy pocos hemos recibido una buena descripción de nuestra estrella y sus variaciones.

El Sol es una estrella promedio, similar a millones de otras en el Universo. Es una máquina de energía prodigiosa, que produce alrededor de 3.8 x 1023 kiloWatts (o kiloJoules/seg).

En otras palabras, si pudiéramos acumular el total de energía que el Sol produce en un segundo, alcanzaría para proveer suficiente energía a los Estados Unidos, según el uso actual, para los próximos 9 millones de años.                                                                                                                   La fuente básica de energía del Sol es la fusión nuclear, que utiliza las altas temperaturas y las grandes densidades en su núcleo para fusionar el hidrógeno, produciendo energía y creando helio como un sub-producto.

El núcleo es tan denso y el tamaño del Sol es tan grande que la energía que sale del centro del Sol tarda unos 50 millones de años para llegar a la superficie, pasando por un proceso de absorción y re-emisión en el camino. Si el Sol dejara de producir energía hoy, ¡tomaría 50 millones de años para que se sintiera algún efecto significativo en la Tierra!

El Sol ha estado produciendo energía radiante y térmica por los pasados cuatrocientos o quinientos millones de años. Tiene suficiente hidrógeno para continuar produciendo por otro billón de años. Sin embargo, en diez o veinte mil millones de años la superficie del Sol empezará a expandirse, cubriendo los planetas terrestres (incluyendo la Tierra). En ese momento, el Sol será una estrella roja gigante. Si el Sol tuviera una mayor masa, colapsaría y se prendería nuevamente como una estrella de combustión de helio. Sin embargo, debido a su tamaño promedio, se espera que el Sol se contraiga y se convierta en una estrella relativamente pequeña y fría conocida como una enana blanca.

Durante mucho tiempo se ha conocido que el Sol no es una estrella sin rasgos distintivos o estable. (Theophrastus identificó las manchas solares en el año 325 A.C.) Algunas de las características más importantes del Sol se describirán en las siguientes secciones.

Manchas Solares

Las manchas solares, manchas oscuras en la superficie del Sol, contienen campos magnéticos transitorios y concentrados. Ellas son las características visibles más prominentes en el Sol; una mancha solar de tamaño promedio, puede ser tan grande como la Tierra. Las manchas solares se forman y desaparecen en periodos de días o semanas. Estas ocurren cuando aparecen campos magnéticos fuertes a través de la superficie solar y permiten que esa área se refresque algo, de una temperatura de 6000 grados C a más o menos 4200 grados C; ésta área aparecerá como una mancha obscura en contraste con el resto del Sol. El área más oscura en el centro de la mancha solar se llama el umbra; es allí donde la fuerza del campo magnético es mayor. La parte menos obscura y estriada alrededor de la umbra se llama la penumbra. Las manchas solares rotan con la superficie solar, demorando cerca de 27 días para completar una vuelta según es visto desde la Tierra. Las manchas solares cerca del ecuador rotan a una velocidad mayor que las manchas cerca de los polos. Los grupos de manchas, especialmente aquellos con campos magnéticos complejos, son a menudo aquellos donde se ven destellos.

Durante los últimos 300 años, el promedio de manchas solares regularmente incrementa y disminuye en un ciclo de 11 años. El Sol, como la Tierra, tiene estaciones pero su año es igual a 11 años terrestres.

Agujeros Coronales

Una característica solar variable, que puede durar de meses a años, son los Agujeros Coronales. Estos se ven como huecos grandes y oscuros cuando se observa el Sol en longitudes de onda de rayos x. Estos agujeros están arraigados en las células grandes de campos magnéticos unipolares en la superficie del Sol; cuyas líneas de campo se extienden bien lejos en el sistema solar. Estas líneas de campo abierto permiten una corriente continua de viento solar de gran velocidad. Los huecos coronales tienen un ciclo de largo periodo, que no se corresponde exactamente con el ciclo de las manchas solares; los huecos tienden a ser más numerosos en los años que siguen al máximo solar. En algunas etapas del ciclo solar, estos huecos son continuamente visibles en los polos norte y sur del Sol.

Prominencias

Las prominencias solares (vistas como filamentos oscuros en el disco) son generalmente nubes quietas de material solar sostenidas sobre la superficie solar por los campos magnéticos. La mayoría de las prominencias entran en erupción en algún momento de su ciclo de vida, emanando gran cantidad de material solar al espacio.

Destellos

Los destellos solares son intensas emanaciones temporales de energía. Desde observatorios en la Tierra son vistos como zonas brillantes en el Sol en longitudes de onda ópticas y como explosiones de ruido en longitudes de onda de radio; pueden durar de minutos hasta horas. Los destellos son los eventos explosivos más grandes de nuestro sistema solar que podrían equivaler a aproximadamente 40 billones de bombas atómicas del tamaño de la de Hiroshima. La fuente principal de energía para los destellos solares parece ser la ruptura y reconexión de fuertes campos magnéticos. Estos irradian a través de todo el espectro electromagnético, desde rayos gamma a rayos x, hasta la luz visible y las grandes longitudes de ondas de radio.

Eyecciones de Masa Coronal (CME)

La atmósfera solar externa, la corona, está formada por fuertes campos magnéticos.

Donde se cierran estos campos, usualmente sobre grupos de manchas solares, la atmósfera solar puede, súbita y violentamente, soltar burbujas o lenguas de gas y campos magnéticos llamadas Eyección de Masa Coronal, abreviado habitualmente como CME (por sus siglas en inglés de: Coronal Mass Ejection)

Una CME de gran tamaño puede contener 10.0E16 gramos (un billón de toneladas) de materia que pueden ser impulsadas a millones de millas por hora causando una explosión espectacular. La materia solar puede extenderse hacia el medio interplanetario, impactando planetas o sondas en su camino.

Las CME's se han asociado con destellos, pero usualmente ambos son independientes.

Entre el Sol y la Tierra

La región entre el Sol y los planetas es conocida como medio interplanetario. Aunque alguna vez se consideró un vacío perfecto, en realidad es una región turbulenta dominada por el viento solar, que fluye a velocidades entre aproximadamente 250 a 1000 km por segundo (entre 600,000 a 2,000,000 millas por hora). Otras características del viento solar (densidad, composición y la fuerza del campo magnético, entre otras) varían de acuerdo a las condiciones cambiantes del Sol. El efecto del viento solar puede ser visto en las colas de los cometas que siempre apuntan alejándose del Sol.

El viento solar fluye alrededor de obstáculos tales como planetas, pero estos planetas con sus propios campos magnéticos responden de una manera específica. El campo magnético de la Tierra es muy similar al patrón que forman las limaduras de hierro alrededor de un imán de barra. Bajo la influencia del viento solar, las líneas de estos campos magnéticos se comprimen en la dirección del Sol y se estiran hacia la dirección del viento. Esto es lo crea la magnetosfera, una compleja cavidad alrededor de la Tierra en forma de gota. Los cinturones de radiación de Van Allen se encuentran en esta cavidad, así como la ionosfera, una capa de la atmósfera alta donde se lleva a cabo la foto-ionización por los rayos x solares y la radiación ultravioleta extrema crea electrones libres. El campo magnético de la Tierra es sensible al viento solar, su velocidad, densidad y su campo magnético. Debido a que el viento solar varía con escalas de tiempo pequeñas, a veces en sólo segundos, la interfase que separa el espacio interplanetario de la magnetosfera es muy dinámica. Normalmente a esta interfase se le llama la magnetopausa y se encuentra a una distancia equivalente a más o menos el radio de la Tierra en la dirección al Sol. Sin embargo, durante los episodios de gran velocidad o densidad de viento solar, la magetopausa puede ser empujada hacia adentro hasta medir casi 6.6 radios de la Tierra (la altitud de los satélites geosincronizados). A medida que la magnetosfera extrae energía del viento solar, los procesos internos producen las tormentas geomagnéticas.

Los Efectos Solares en la Tierra

Algunos de los efectos más importantes de las variaciones solares en la Tierra son las auroras, los eventos de protones y las tormentas geomagnéticas.

Auroras

La aurora es una manifestación dinámica y visualmente delicada de las tormentas geomagnéticas inducidas por el Sol. El viento solar energiza los electrones e iones en la magnetosfera. Estas partículas usualmente entran en la alta de la atmósfera terrestre cerca de las regiones polares. Cuando las partículas chocan con las moléculas y átomos de la delgada atmósfera alta, algunos empiezan a brillar en colores diferentes. Las auroras comienzan entre los 60 y 80 grados de latitud. A medida que la tormenta se intensifica, las auroras se extienden hacia el ecuador. En 1909, durante una tormenta inusualmente grande, una aurora fue visible en Singapur, en el ecuador geomagnético. Las auroras proveen un espectáculo maravilloso, pero no son más que señales visibles de cambios atmosféricos que pueden ocasionar grandes estragos en los sistemas tecnológicos.

Eventos de Protones

Los protones energizados pueden alcanzar la Tierra dentro de los 30 minutos posteriores a un destello solar importante. Durante este tipo de evento, la Tierra es bañada por partículas solares energizadas (primordialmente protones) emanadas del lugar del destello. Algunas de estas partículas se mueven en espiral por las líneas del campo magnético de la Tierra, penetrando en las altas capas de la atmósfera donde se produce una ionización adicional y pueden producir un aumento significativo en la cantidad de radiación ambiental.

Tormentas Geomagnéticas

De uno a cuatro días, de la ocurrencia de un destello o de una prominencia eruptiva, una nube más lenta de materia y campo magnético solar llega a la Tierra, golpeando la magnetosfera y resultando en una tormenta geomagnética. Estas tormentas son variaciones extraordinarias del campo magnético en la superficie de la Tierra. Durante una tormenta geomagnética, porciones de la energía del viento solar son transferidas a la magnetosfera, provocando cambios súbitos en dirección e intensidad del campo magnético de la Tierra y energizando lo población de partículas del mismo.

Sistemas Afectados

Muchos sistemas de comunicaciones utilizan la ionosfera para reflejar señales de radio a grandes distancias. Las tormentas ionosféricas pueden afectar comunicaciones de radio de alta frecuencia (HF, por sus siglas en inglés) en todas las latitudes. Algunas frecuencias de radio son absorbidas y otras son reflejadas, lo que produce señales que fluctúan rápidamente y siguen rutas de propagación inesperadas. Las estaciones comerciales de televisión y radio son poco afectadas por la actividad solar, pero las comunicaciones aero-terrestres, barco-puerto, La Voz de América, la Radio Europa Libre y radio-aficionados son afectados frecuentemente. Los operadores de radio que utilizan frecuencias altas confían en las alertas de actividad solar y geomagnética para poder mantener los circuitos de comunicación funcionando. Algunos sistemas militares de detección o sistemas de aviso temprano también se ven afectados por la actividad solar. Las señales de Radar-Sobre-el-Horizonte se reflejan en la ionosfera para facilitar el rastreo del despegue de naves y mísiles desde grandes distancias. Durante las tormentas geomagnéticas, este sistema podría ser seriamente afectado por desórdenes radiales. Algunos sistemas de detección de submarinos utilizan las "firmas" magnéticas de los submarinos como una de las entradas de sus esquemas de localización. Las tormentas geomagnéticas pueden distorsionar estas señales. La Administración Federal de Aviación recibe rutinariamente alertas de explosiones solares para que puedan reconocer los problemas de comunicaciones y evitar gastos de mantenimiento innecesarios. Cuando un avión y una estación terrestre están alineados con el Sol, puede existir interferencia en las frecuencias de los sistemas de radios. Esto también puede ocurrir cuando una estación terrestre, un satélite y el Sol están alineados.

Las tormentas de radiación, también conocidas como eventos de partículas solares o eventos de protones, pueden afectar las regiones bajas de la ionosfera polar. Esta región puede ser ionizada y ocurrir una severa absorción de señales HF y VHF. Esto es llamado un evento de Absorción en el Casquete Polar (PCA, por sus siglas en inglés). Los eventos PCA pueden durar varios días o semanas, y la propagación HF polar se hace frecuentemente imposible durante estos eventos.

Sistemas de Navegación

Los sistemas de navegación como LORAN y OMEGA son afectados cuando la actividad solar afecta la propagación de sus señales. El sistema OMEGA consiste de ocho transmisores localizados a través del mundo. Los aviones y los barcos utilizan señales de frecuencias muy bajas de estos transmisores para determinar sus posiciones. Durante eventos solares y tormentas geomagnéticas, el sistema puede dar a los navegantes información incorrecta, algunas veces errando por algunos kilómetros. Los navegantes pudieran cambiarse a un sistema alterno si son alertados de que está ocurriendo un evento de protones o una tormenta geomagnética. Las señales de los sistemas de posicionamiento global (GPS, por sus siglas en inglés) son afectadas cuando la actividad solar provoca variaciones repentinas en la densidad ionosférica. Los GPS son utilizados para aplicaciones aún más precisas, incluyendo el mapeo de líneas costeras, estudios geodésicos para la construcción de autopistas, para aterrizar naves aéreas y para perforación de pozos de petróleos.

Satélites

Las tormentas geomagnéticas y el aumento en la emisión solar ultravioleta calientan la atmósfera alta de la Tierra provocando su expansión. El aire caliente sube y la densidad del aire en la órbita de satélites que se encuentran hasta unos 1000 Km se incrementa considerablemente. Esto provoca un incremento de la fricción de los satélites en el espacio, resultando en una reducción de su velocidad y en ligeros cambios de órbita. Si los satélites en órbitas bajas no son rutinariamente elevados, caerían y se quemarían en la atmósfera de la Tierra. El "Skylab" es un ejemplo de una nave que re-entró a la atmósfera de la Tierra antes de tiempo como resultado de una actividad solar mayor a lo esperado. Durante la gran tormenta geomagnética de Marzo de 1989, cuatro satélites de navegación de la Marina tuvieron que ser puestos fuera de servicio por casi una semana.

A medida que la tecnología ha permitido que los componentes de las naves sean más pequeños, sus sistemas miniaturizados son más vulnerables a las partículas solares más energéticas. Estas partículas pueden provocar daños físicos a los microchips y pueden cambiar los comandos de los programas en las computadoras de los satélites. Eventualmente, las descargas eléctricas pueden saltar entre componentes de la nave dañándolos e incluso deshabilitándolos.

La carga gruesa o profunda en los satélites ocurre cuando partículas energéticas, principalmente electrones, penetra la cubierta exterior del satélite y deposita su carga eléctrica en las partes internas. Si se acumula carga suficiente en cualquier componente, este tratará de neutralizarse a través de descarga a otros componentes. Esta descarga es potencialmente peligrosa para los sistemas eléctricos del satélite.

Cargas Diferenciales

Otro problema para los operadores de satélites son las cargas diferenciales. Durante las tormentas geomagnéticas, aumenta el número y la energía de los electrones e iones. Cuando un satélite viaja a través de este ambiente energizado, las partículas cargadas que chocan contra la nave provocan que diferentes partes de ésta tengan cargas eléctricas diferentes. Eventualmente, las descargas eléctricas pueden llegar a los componentes de la nave y causar daño o invalidarlos. Carga Gruesa. La carga gruesal (también llamada carga profunda) ocurre cuando las partículas energéticas, primordialmente electrones, penetran en la cubierta externa de un satélite y depositan su carga en sus componentes del interior. Si se acumula suficiente carga en uno de sus componentes, puede tratar de neutralizarse descargando los demás componentes. Esta descarga es muy peligrosa para los sistemas electrónicos de los satélites.

Peligros de Radiación para los Humanos

Los destellos solares intensos dejan escapar partículas altamente cargadas que pueden ser tan peligrosas para los humanos como las explosiones nucleares de radiación de baja energía. La atmósfera y la magnetosfera de la Tierra nos proveen la protección adecuada en la superficie de la Tierra, pero los astronautas en el espacio están expuestos a dosis letales de radiación. La penetración de partículas de alta energía en células vivientes, medidas en dosis de radiación, causan daños a los cromosomas y, potencialmente, cáncer. Grandes dosis serían fatales inmediatamente. Los protones solares con energías más altas que 30 MeV son los más peligrosos. En octubre de 1989, el Sol produjo suficientes partículas energéticas para que un astronauta en la Luna, utilizando su traje espacial fuera de su nave durante la parte más mala de la tormenta, hubiese muerto. (Los astronautas que hubiesen tenido tiempo de refugiarse bajo el suelo lunar hubiesen absorbido solo una pequeña parte de la radiación.)

Los eventos solares de protones también pueden producir altas concentraciones de radiación en un avión volando a grandes alturas. Aún cuando estos riesgos son mínimos, la vigilancia constante de eventos solares a través de instrumentos en los satélites, permite que se vigile, y se evalúe, estas exposiciones ocasionales.

Exploración Geológica

Los geólogos utilizan el campo magnético de la Tierra para determinar las estructuras de las rocas subterráneas. En la mayoría de las ocasiones, estos exploradores geodésicos están buscando petróleo, gas o depósitos minerales. Sólo pueden tener éxito cuando el campo magnético de la Tierra está en calma, y las señales magnéticas características puedan ser detectadas. Otros exploradores prefieren trabajar cuando ocurren tormentas geomagnéticas, cuando las variaciones en las corrientes eléctricas subterráneas de la Tierra les permitan ver las estructuras minerales o petróleo bajo la superficie. Por estas razones, muchos exploradores utilizan las alertas geomagnéticas y las predicciones para programar sus actividades.

Energía Eléctrica

Cuando campos magnéticos se mueven cerca de un conductor, por ejemplo un cable, se induce una corriente eléctrica en el conductor. Esto ocurre a gran escala durante tormentas geomagnéticas. Las compañías de energía eléctrica transmiten corriente alterna a sus clientes a través de largas líneas de transmisión. Durante estas tormentas se inducen corrientes casi directas, peligrosas para los equipos de transmisión. El 13 de marzo de 1989, en Montreal, Quebec, 6 millones de abonados quedaron sin luz por 9 horas a consecuencia de una tormenta geomagnética inmensa. Algunas áreas del noreste de los Estados Unidos y de Suecia también pasaron por lo mismo. Al recibir alertas y avisos de tormentas geomagnéticas, las compañías de energía eléctrica pueden minimizar los daños y las interrupciones del servicio eléctrico.

Tendidos de Tuberías

El Sol es la fuente de calor que fuerza la circulación de nuestra atmósfera. Aunque se ha asumido durante mucho tiempo que es una fuente constante de energía, las mediciones recientes de esta constante solar han demostrado que la emisión base del Sol puede disminuir temporalmente hasta medio punto porcentual. Los científicos atmosféricos opinan que esta variación es importante y puede llegar a modificar el clima. Se ha observado en los datos de los anillos de árboles que el crecimiento de las plantas varía durante los ciclos de 11 años de las manchas y los ciclos magnéticos de 22 años del Sol. Aunque el ciclo solar se ha mantenido regular durante los últimos 300 años, hubo un periodo de 70 años durante los siglos 17 y 18 cuando se vieron muy pocas manchas solares. Esta disminución en el número de manchas solares coincidió con la Mini Era Glacial en Europa, implicando una conexión clima-Sol, aunque no demostrada de forma fehaciente. Los vientos estratosféricos cerca del ecuador soplan en direcciones diferentes, dependiendo de que parte del ciclo solar se esté. Hay estudios en desarrollo que determinarán cómo los efectos de esta inversión del viento afectan los patrones de circulación global y clima. Durante los eventos de protones, más partículas energéticas alcanzan la atmósfera media de la Tierra. Allí, éstas causan ionización molecular, creando químicos que destruyen el ozono atmosférico y permiten que cantidades mayores de la dañina radiación ultravioleta alcancen la superficie de la Tierra. Un evento solar de protones en 1982 causó una disminución temporal del 70% en la densidad del ozono. Biología Existe una creciente cantidad de evidencia que indica que los cambios en el campo magnético afectan los sistemas biológicos. Los estudios indican que sistemas biológicos humanos estresados físicamente pueden responder a fluctuaciones del campo magnético. El interés y la preocupación por este tema han llevado a la Unión Internacional de Radio Ciencias a crear una nueva comisión llamada Electromagnetismo en Biología y Medicina. La variable posiblemente más estudiada de los efectos biológicos del Sol ha sido la degradación de las habilidades de navegación de las palomas durante una tormenta geomagnética. Las palomas y otros animales migratorios, como delfines o ballenas, tienen compases biológicos internos compuestos de mineral magnetita envuelta en células nerviosas. Aunque puede que este no sea su método primordial de navegación, han ocurrido muchos accidentes en carreras de palomas durante tormentas magnéticas. "Accidente" es un término utilizado cuando sólo un porcentaje pequeño de palomas regresan a su hogar. Debido a que estas pérdidas han ocurrido durante tormentas geomagnéticas, los entrenadores de palomas han aprendido a solicitar las alertas y avisos de tormentas geomagnéticas cuando van a planificar sus carreras.

Nuestro Futuro

La lista de consecuencias crece proporcionalmente con nuestra dependencia de los siempre crecientes sistemas tecnológicos. Los detalles de las interacciones Sol-Tierra, y entre las partículas solares y los delicados instrumentos, se han convertido en factores que afectan nuestro bienestar. Por esto, continuará e incrementará la necesidad de servicios del medio ambiente espacial para satisfacer necesidades comerciales, de seguridad y salud. El Centro de Estimados del Centro de Predicción de Clima Espacial (Forecast Center of the Space Weather Predictions Center, SWPC) es operado conjuntamente por SWPC y la Fuerza Aérea de los EEUU (USAF), y es el centro nacional y mundial de avisos de perturbaciones que pueden afectar seres y equipos trabajando en el medio ambiente espacial. SWPC trabajo con muchas instituciones nacionales e internacionales que contribuyen con datos y observaciones; y nosotros compartimos con ellos nuestros datos y productos. Nos place apoyar los esfuerzos internacionales para informas a los usuarios del clima espacial. Una mejos comprensión y mejores predicciones son las claves para ofrecer un mejor servicio. SWPC desarrolla investigaciones en física de la relación Sol-Tierra, desarrolla técnicas para las predicciones de perturbaciones solares y geomagnéticas y ofrece monitoreo y predicciones en tiempo real de eventos solares y geofísicos.

El SWPC es uno de los nueve Centros Nacionales Para Predicciones del Medio Ambiente, parte de los Servicios de Clima de la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA)
Ha sido en las últimas décadas que se ha reconocido y apreciado que los destellos solares, los CMEs y las tormentas magnéticas afectan a las personas y sus actividades. La lista de consecuencias crece en proporción a nuestra dependencia de los sistemas tecnológicos. Los resultados de las interacciones entre el Sol y la Tierra y entre las partículas solares y los instrumentos delicados, se han convertido en factores que afectan nuestro bienestar. Así que hay una necesidad continua e intensificada de servicios ambientales espaciales que atiendan las necesidades de salud, seguridad y comercio.

Conclusión

Ha sido en las últimas décadas que se ha reconocido y apreciado que los destellos solares, los CMEs y las tormentas magnéticas afectan a las personas y sus actividades. La lista de consecuencias crece en proporción a nuestra dependencia de los sistemas tecnológicos. Los resultados de las interacciones entre el Sol y la Tierra y entre las partículas solares y los instrumentos delicados, se han convertido en factores que afectan nuestro bienestar. Así que hay una necesidad continua e intensificada de servicios ambientales espaciales que atiendan las necesidades de salud, seguridad y comercio.

Distintos eventos que se producen en nuestro Astro Rey, así como sus consecuencias para la Tierra

Lecturas Sugeridas

Davies, K., 1990, Ionospheric Radio. Peter Peregrinus, London. Eather, R. H., 1980, Majestic Lights. AGU, Washington, D.C. Garrett, H. B., and C. P. Pike, eds., 1980, Space Systems and Their Interactions with Earth's Space Environment. New York: American Institute of Aeronautics and Astronautics. Gauthreaux, S., Jr., 1980, Animal Migration: Orientation and Navigation., Chapter 5. Academic Press, New York. Harding, R., 1989, Survival in Space. Routledge, New York. Joselyn, J.A., 1992, The impact of solar flares and magnetic storms on humans. EOS, 73(7): 81, 84-85. Johnson, N. L., and D. S. McKnight, 1987, Artificial Space Debris. Orbit Book Co., Malabar, Florida. Lanzerotti, L. J., 1979, Impacts of ionospheric / magnetospheric process on terrestrial science and technology. In Solar System Plasma Physics, III, L. J. Lanzerotti, C. F. Kennel, and E.N. Parker, eds. North Holland Publishing Co., New York. Campbell, W.H., 2001, Earth Magnetism: A Guided Tour Through Magnetic Fields, Harcourt Sci. and Tech. Co., New York

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