Introducción al Clima Espacial
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 (or 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 cuatroscientos 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.
Las manchas solares, manchas obscuras 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 obscura 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 del 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.
Una
característica solar variable, que puede durar de meses a años,
son los Huecos Coronales. Estos se ven como huecos grandes y obscuros cuando
se observa el Sol en longitudes de onda de rayos x. Estos huecos 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.
Las prominencias solares (vistas como filamentos obscuros 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.
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 ta 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.
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 eyecciones
coronales (EC) Una EC 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 EC se han asociado con destellos pero usualmente ambos son
independientes.
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.
Algunos de los efectos más importantes de las variaciones solares en la Tierra son las auroras, los eventos de protones y las tormentas geomagnéticas.
La
aurora es una manifestación dinámica y visualmente delicada de
las tormentas geomagnéticas producidas por el Sol. El viento solar energiza
los electrones y los iones en la magnetosfera. Estas partículas usualmente
entran en la parte alta de la atmósfera terrestre cerca de las regiones
polares. Cuando las partículas tocan las moléculas y los átomos
de la fina atmósfera alta, algunas empiezan a brillar de diferentes colores.
Las auroras empiezan a latitudes entre los 60 y 80 grados. A medida que la tormenta se intensifica, las auroras se esparcen 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.
La foto es de una aurora en el Condado de El Paso, Tejas,
el 12 de agosto del 2000; cortesía de Christopher Grohusko.
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.
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.
Algunos sistemas militares de detección o sistemas de aviso temprano también se ven afectados por la actividad solar. Las señales del Radar-Sobre-el-Horizonte rebotan en la ionosfera para facilitar el rastreo del despegue de naves y mísiles desde grandes distancias. Durante las tormentas geomagnéticas, este sistema podría ser muy afectado debido a 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.
Rutinariamente, la Administración Federal de Aviación recibe alertas de explosiones solares en los sistemas de radio de manera que puedan reconocer los problemas de comunicaciones y evitar gastos de mantenimiento innecesarios. Cuando un avión y una estación en tierra están alineados con el Sol, pueden ocurrir congestionamientos en las frecuencias de los sistemas de radios. Esto puede ocurrir también cuando la estación terrestre, el satélite y el Sol están alineados.
Sistemas de Navegación
Los sistemas tales como LORAN y OMEGA son afectados cuando la actividad solar interrumpe 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 desde estos transmisores para determinar sus posiciones. Durante los eventos solares y las tormentas geomagnéticas, el sistema puede dar a los navegantes información incorrecta, algunas veces errando por muchas millas. Si se informa a los navegantes de que está ocurriendo un evento de protones o una tormenta geomagnética, ellos pueden cambiarse a un sistema alterno. Las señales de los sistemas de posicionamiento geográfico (GPS por sus siglas en inglés) también se afectan cuando la actividad solar provoca variaciones repentinas en la densidad de la ionosfera.
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 los satélites que se encuentran hasta casi 1000 Km se incrementa considerablemente. Esto provoca un aumento en la fricción de los satélites en el espacio haciendo que reduzcan su velocidad y que cambien ligeramente su órbita. Si los satélites en órbitas bajas no son elevados rutinariamente, caerían y se quemarían en la atmósfera de la Tierra.
El "Skylab" es un ejemplo de una nave re-entró a la atmósfera de la Tierra antes de tiempo como resultado de más actividad solar de lo normal. Durante la gran tormenta geomagnética de Marzo de 1989, cuatro satélites de navegación de la Fuerza Naval se tuvieron que sacar 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 mucho 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.
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.
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.
Cuando los campos magnéticos de mueven cerca de un conductor como por ejemplo un cable, se induce una corriente eléctrica al conductor. Esto pasa a grandes escalas durante una tormentas geomagnéticas. Las compañías de energía eléctrica transmiten corrientes alternas 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 se quedaron sin luz por 9 horas como resultado de una tormenta geomagnética inmensa. Algunas áreas del nordeste 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.
Los campos magnéticos que fluctúan con rapidez pueden inducir corrientes en los tendidos de tuberías. En ese momento, pueden surgir muchos problemas para los ingenieros de éstos tendidos. Los medidores de flujo pueden transmitir información errónea y se eleva dramáticamente la tasa de corrosión de los tubos. Si los ingenieros trataran involuntariamente de balancear estas corrientes durante una tormenta geomagnética, las tasas de corrosión aumentarían aún más. Rutinariamente, los administradores de estos ductos reciben alertas y avisos que los ayudan a mantener un sistema eficiente y de larga vida.
Aún cuando el ciclo solar ha sido regular durante los últimos 300 años, hubo un periodo de 70 años durante el siglo 17 y 18 cuando se vieron muy pocas manchas solares (aún cuando los telescopios eran utilizados extensamente). Esta baja en el número de manchas solares coincide con la mini-era glacial en Europa, lo que implicaba una conexión entre el Sol y el clima. Hay especulaciones recientes sobre el enlace o relación entre el clima y la variación solar. Los vientos estratosféricos cerca del ecuador soplan en direcciones diferentes, dependiendo del tiempo dentro del ciclo solar. Hay estudios en desarrollo que determinarán cómo los efectos de esta inversión del viento afecta los patrones de circulación global y clima.
Durante los eventos de protones, más partículas energéticas llegan a la atmósfera media de la Tierra. Allí, éstas causan ionización molecular, creando substancias químicas que destruyen el ozono atmosférico y permiten que cantidades mayores de radiación ultravioleta alcancen la superficie de la Tierra. Un evento de protones solar en 1982 causó una disminución temporera en la densidad del ozono de 70%.
Posiblemente, la variable 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 los delfines o las ballenas, tienen compases biológicos internos compuestos de magnetita mineral envuelta en células nerviosas. Aún cuando este no es su método primordial de navegación, han habido muchos accidentes en carreras de palomas, un término utilizado cuando sólo un porcentaje pequeño de palomas regresan al sitio donde fueron liberadas. Debido a que éstas pérdidas han ocurrido durante tormentas geomagnéticas, los manejadores de palomas han aprendido que deben averiguar sobre las alertas y avisos de tormentas geomagnéticas cuando van a planificar sus carreras.
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.
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