25/1/12

El Clima Espacial

El clima espacial depende fundamentalmente del Sol, que es una fuente de radiación de ondas electromagnéticas y de partículas atómicas. Estas últimas viajan como viento solar (un permanente flujo de materia, esencialmente partículas cargadas, expulsado desde el Sol) y como rayos cósmicos (núcleos atómicos o electrones que surcan el espacio a velocidades cercanas a la de la luz). Estas partículas de alta energía también pueden provenir de otras zonas de nuestra galaxia o de más allá inclusive. Además tienen cierto rol la capa más externa de nuestra atmósfera y la zona adyacente, respectivamente la ionosfera y la magnetosfera.


La radiación electromagnética viaja a la velocidad de la luz (300.000 km/seg) y por lo tanto atraviesa los 150.000.000 km del Sol a la Tierra en sólo 8 minutos. Los rayos cósmicos solares pueden alcanzar velocidades de hasta 100.000 km/seg y por ello arriban a la Tierra en algunas decenas de minutos o unas pocas horas. Las partículas del viento solar en cambio viajan a unos 400 km/seg y demoran por lo tanto unos 4 días en llegar a nuestro planeta, lo cual es útil para la predicción del clima espacial porque a diferencia de los casos anteriores otorga suficiente tiempo para tomar precauciones ante arribos peligrosos. El contenido energético del viento solar
y de los rayos cósmicos es muy inferior al de la radiación electromagnética, pero no es de descartar que puedan estar afectando al sistema terrestre a través de procesos altamente no lineales. Dentro del viento solar, las eyecciones de masa coronal constituyen un fenómeno de singular importancia para la meteorología espacial, puesto que consisten en la expulsión de gran cantidad de materia hacia afuera del Sol y su velocidad puede alcanzar los 2000 km/seg. Estos eventos contienen partículas atómicas cargadas de altas velocidades, que pueden producir grandes corrientes eléctricas y diferencias de voltaje. Esto constituye un serio peligro para los satélites, particularmente los que se encuentran en el espacio exterior. Hay épocas de gran actividad solar en las que puede haber un promedio 3 de estos eventos cada 24
horas, aunque sólo llega 1 cada 5 días a la Tierra (el resto se pierde en otras partes del espacio).

El Sol presenta pequeñas manchas oscuras que a veces pueden verse a simple vista. Las
mismas fueron ya no sólo observadas sino también registradas en China al menos desde el siglo II A.C.. Puede verse que el índice de manchas no varía en forma arbitraria. El comportamiento se repite aproximadamente cada 11 años, asignándosele a los picos y valles el nombre de máximo y mínimo (de actividad) solar.
Actualmente se sabe que la variación de las manchas es el indicador más obvio
del estado de humor de nuestro astro, ya que la cantidad de erupciones, la intensidad de la radiación de nuestra estrella, el comportamiento del viento solar y otros aspectos también dependen de este ciclo.

La ionosfera y la magnetosfera

Entre los 60 y los 1000 km por encima de la superficie terrestre se encuentra la capa superior de nuestra atmósfera, la ionosfera, que contiene una gran cantidad de cargas positivas y negativas.
Esta zona tiene una gran relevancia para los sistemas de comunicación por radio, ya que dependiendo de las frecuencias de las ondas las mismas pueden ser reflejadas, refractadas o transmitidas en forma inalterada allí. En condiciones de clima espacial tormentoso hay características de la ionosfera que se ven modificadas y ello puede ocasionar la alteración de la propagación de las ondas de radio. Más arriba de esta capa se encuentra la magnetosfera, una zona netamente dominada por el campo geomagnético, que puede llegar a extenderse hasta 50.000 y 5.000.000 de km respectivamente del lado diurno y nocturno de la Tierra.
Esta capa funciona como un escudo protector contra partículas cargadas para lo que se encuentre debajo de su manto. En general, el nivel de toda la radiación crece significativamente durante cualquier tipo de erupción solar pero afortunadamente los elementos de peligro no pueden traspasar incólumes diversas barreras terrestres (por ejemplo los rayos ultravioletas son atenuados en la famosa capa de ozono).
Estos fenómenos terrestres se producen aproximadamente 1 vez por mes en las épocas más agitadas del Sol. La colisión del envío solar con la magnetosfera puede obligar a ésta a replegarse en el lado diurno, dejando a algunos satélites momentáneamente expuestos al peligro de las partículas cargadas de alta energía. Cuando la velocidad del viento solar es suficientemente elevada, las partículas cargadas logran cierta
penetración en el campo magnetosférico y siguen las líneas del mismo. Como la configuración es más abierta en los polos, “el precio de admisión” es más bajo a altas latitudes y por eso las auroras sólo aparecen en esas regiones. Esas partículas solares también producen corrientes de variable intensidad en la ionosfera y magnetosfera. A la vez, estas corrientes crean un campo magnético variable, que en particular induce corrientes y diferencias de voltaje entre diferentes puntos (ley de inducción de Faraday) en la Tierra. En general las corrientes eléctricas geomagnéticamente inducidas pueden ser elevadas y producir daños en cualquier estructura eléctricamente conductora (habitualmente metal) que esté conectando dos puntos diseñados para hallarse conectados al mismo voltaje de referencia (tierra), pero que se ven sometidos en realidad a una significativa diferencia por el fenómeno de inducción.

Peligros para la tecnología

El hombre no supo reconocer ni imaginó durante mucho tiempo las causas espaciales detrás de muy diversas alteraciones del sistema terrestre. Esto se debe en gran parte a que los efectos pueden involucrar a componentes aislados dentro de un sistema, por lo que no siempre son claramente visibles (por ejemplo en el aislamiento eléctrico de cables internos) o a que ocasionan un daño a largo plazo (como ser efectos en la salud). Eso hizo que muchas veces quedara enmascarada la razón primaria y que las sospechas fueran dirigidas hacia otras causas aparentemente más obvias. Probablemente fue el astrónomo William Herschel en un artículo de 1801 sobre el efecto de la variación de las manchas solares en el régimen de lluvias el primero en relacionar las variaciones en nuestra estrella con consecuencias concretas sobre el sistema
terrestre. Esta suposición de una conexión del Sol con el clima terrestre precedió a la revelación de la existencia del ciclo solar de 11 años en una publicación del farmacéutico (y astrónomo amateur) Heinrich Schwabe en 1844. William Ellis del Royal Greenwich Observatory efectuó quizás el primer pronóstico de los efectos de las tormentas espaciales en 1879, al vincular las manchas con las perturbaciones geomagnéticas y anticipando entonces que en el próximo máximo solar la telegrafía se encontraría al igual que en casos anteriores en problemas, lo cual fue corroborado en 1881. El telégrafo es uno de los más antiguos sistemas extensos hechos por el hombre, que además involucró materiales eléctricamente conductores y por ello fue quizás el
primer elemento tecnológico afectado por el clima espacial.

Los componentes electrónicos se han vuelto una parte esencial y omnipresente de nuestra vida diaria. Los mismos se han ido miniaturizando progresivamente por décadas y operan cada vez con voltajes y corrientes eléctricas menores. Una consecuencia es
que el “ruido electrónico” de cierta intensidad puede llegar a causar errores en las corridas de programas por medio de alteraciones espontáneas y sin causa aparente de bits almacenados (de 0 a 1 o viceversa). Entonces llega a suceder que un mismo programa corrido dos veces con los mismos parámetros de entrada genera dos resultados finales distintos. En general estos efectos no alteran el funcionamiento de una computadora a nivel de chip, ya que el sistema puede hacer una verificación y darse de baja antes de que un bit incorrecto sea utilizado. Estos errores pueden ser ocasionados en la Tierra por las cascadas generadas por rayos cósmicos galácticos,
ya que las partículas que contienen las mismas pueden partir los átomos de los semiconductores de los que constan los componentes integrados y eso puede producir un desparramo de electrones que afecta al sistema electrónico. Investigaciones de IBM en chips de memoria RAM estática han concluido que estos inconvenientes ocurren 13 veces más seguido a 3100 m que al nivel del mar, algo totalmente consistente con el hecho de que el chubasco de rayos cósmicos se va atenuando a medida que va descendiendo en la parte más baja de la atmósfera. La frecuencia de errores también debe incrementarse con la latitud puesto que el blindaje magnético terrestre respecto a las partículas cargadas presenta su máxima y mínima defensa respectivamente en el
ecuador y los polos. Los microchips de la electrónica de a bordo de los aviones modernos también operan con pequeñas corrientes y voltajes y están por lo tanto sometidos a los mismos efectos. Se han observado incrementos de la ocurrencia de errores en algunos componentes que pueden llegar a multiplicarse por 15 a una altura de vuelo de 9 km respecto al nivel del mar. Los rayos cósmicos han tenido también un impacto negativo en equipo ferroviario. Cuando el tren alemán de alta velocidad InterCity Express entró en servicio a comienzos de la década del ’90, inmediatamente se percibieron pérdidas de potencia del sistema de locomoción. En relación a esto se descubrieron componentes electrónicos destruidos por cortocircuitos. Esto ocurría en
forma irregular, aunque nunca cuando el tren circulaba por túneles (resultaban una buena protección para los semiconductores contra la lluvia de radiación cósmica).

Para una gran diversidad de funciones, los satélites permanecen habitualmente largos períodos en el espacio, por lo que no es improbable que se crucen en su trayectoria
partículas cargadas de alta energía, que pueden llegar a atravesar sin problemas capas de hasta 4 cm de aluminio. Se puede producir la acumulación o liberación repentina de cargas en componentes o efectos en la electrónica ya descriptos en el párrafo anterior, que ocasionan el daño y la destrucción de elementos o comandos fantasma. Las tormentas geomagnéticas pueden conducir a una pérdida de orientación. Los satélites de órbitas bajas también pueden empezar a perder altura, reingresar a la atmósfera e incendiarse o impactar la superficie de nuestro planeta. Esto se debe a que durante las tormentas espaciales la atmósfera se expande debido al aumento de energía ingresada, lo cual empieza a producir fricción sobre la nave. Los satélites que circundan la Tierra por mucho tiempo deben poseer mecanismos de eyección a órbitas más elevadas para compensar estas pérdidas. La radiación ultravioleta se hace sentir en especial en el largo plazo, ya que lleva a un envejecimiento prematuro de sistemas electrónicos, celdas solares y material estructural.

Una tormenta magnética puede producir diferencias de voltaje entre transformadores de alta tensión conectados al mismo voltaje de referencia (tierra). Entonces una
corriente eléctrica inducida fluye entre los mismos a lo largo de las líneas conectando a ambos.
Los transformadores pueden llegar eventualmente a saturarse y entonces aparecen alteraciones a las frecuencias de 50 o 60 Hz, ocasionando un mal funcionamiento de reguladores en elementos de protección de los consumidores. Además, se reduce la capacidad de transmisión del sistema, cae la tensión de las líneas, se pueden producir fallas y eventualmente un apagón total. En el peor caso puede suceder también un recalentamiento e incendio de los transformadores de alta tensión por una corriente muy elevada respecto al rango de operación diseñado para los mismos.

Los oleoductos y gasoductos tienen una tendencia a corroerse, sobre todo en
puntos de la superficie donde una corriente eléctrica (por ejemplo geomagnéticamente inducida) puede fluir desde el metal hacia el terreno circundante. Tienen una capa aislante para evitar este proceso, pero suele añadirse una medida de protección adicional que requiere del mantenimiento permanente de la tensión de los mismos a un valor de –1 volt respecto al terreno. No obstante, las tormentas magnéticas pueden llegar a inducir voltajes en estos tubos que hagan que se sobrepase ignificativamente esta pequeña diferencia y la protección contra corrosión se torna inefectiva, puesto que estos caños son excelentes conductores eléctricos que se extienden por cientos o miles de kilómetros. No queda claro aún hasta donde se debe responsabilizar a las
tormentas magnéticas de estos efectos, pero si resulta obvio que a altas latitudes los oleoductos y gasoductos están más expuestos a los mismos. Esto llevó a la realización de numerosos estudios de efectos geomagnéticos en la década del ’70 en relación a la construcción del oleoducto de Trans-Alaska. Inclusive la corrosión que experimentan los grandes puentes metálicos y las torres de alta tensión puede ser atribuida en parte a este fenómeno.

En el caso de los cables modernos de fibra óptica pueden aparecer problemas puesto que contienen elementos metálicos, ya sea para proveer corriente a los amplificadores, como para refuerzo o cobertura. La longitud de cables de comunicaciones que atraviesan aguas profundas hace que pueden llegar a inducirse fluctuaciones de incluso algunos miles de volts en líneas transoceánicas y transmarítimas durante tormentas magnéticas. Los problemas no sólo aparecen en sistemas de telecomunicaciones que usan cables sino también en aquéllos que usan ondas de radio que pasan o se reflejan en la ionosfera, puesto que la misma se
ve muy perturbada durante algunos eventos. Esto incluye a los sistemas de posicionamiento global (para determinar la precisa ubicación de algo en la Tierra) y a los sistemas de navegación.

Las corrientes eléctricas inducidas en forma geomagnética pueden estorbar el tráfico ferroviario al perturbar el sistema de señalización. Durante Julio de 1982 se detectaron en Suecia fluctuaciones de voltaje inducidas desde el espacio que llevaron a fallas. Este tema no ha sido muy estudiado aun.


Se presenta a continuación una cronología de algunos problemas tecnológicos
destacados en asociación al clima espacial. Puede verse que la mayoría de estos hechos ocurrieron en épocas próximas a un máximo solar:

• Cuando la telegrafía estaba en sus albores, todo el cablerío de Gran Bretaña se tornó inestable durante dos tormentas geomagnéticas en 1847 y 1859. Gracias a la “energía gratis” algunos telegrafistas no necesitaron baterías para enviar mensajes pero otros estuvieron cerca de la electrocución o tenían líneas inoperables.
• El 24 de Marzo de 1940 en el noreste de los EEUU y el este de Canadá una gran
tormenta geomagnética ocasionó notables fluctuaciones en el voltaje de línea y dejó
ocasionalmente fuera de servicio el suministro de electricidad.
• El 9 y 10 de Febrero de 1958 el cable de comunicación transatlántica en el hemisferio norte padeció las consecuencias de una tormenta geomagnética severa, a raíz de lo cual las señales fueron distorsionadas hacia una elevada vociferación o un suave susurro, dependiendo de la dirección del voltaje inducido respecto al voltaje de operación.
• En 1979 tras 6 años de uso el Skylab se despedazó sobre el Océano Indico y Australia por no haberse previsto adecuadamente los incrementos de la fricción atmosférica durante los lapsos de alta actividad solar.
• El 13 de Marzo de 1989 una tormenta geomagnética llevó los transformadores del
sistema de suministro eléctrico de Hydro Québec a la saturación, ocasionando
frecuencias espúreas (diferentes a los 60 Hz) y fluctuaciones de voltaje. En sólo 90
segundos el sistema colapsó y se produjo en el este de Canadá un corte de 9 horas. La
tormenta también ocasionó que algunos sistemas automáticos como portones de garaje
funcionaran por si solos.
• El 4 de Junio de 1989 una potente explosión demolió parte de las vías del tren
transiberiano en Ural, sumiendo 2 trenes en llamas con centenares de víctimas fatales. La deflagración habría sido iniciada por ambas formaciones a partir de una pérdida originada por la corrosión en un cercano gasoducto de antigua tecnología y sin modernas salvaguardas.
• Los satélites de comunicaciones canadienses ANIK E1 y E2 de Telesat espectivamente
el 20 y 21/01/1994 perdieron temporariamente el control orbital. Esto se debió a los
efectos de electrones de alta energía que penetraron profundamente en la electrónica e indujeron grandes voltajes entre componentes, ocasionando descargas eléctricas entre los mismos con la consecuente afectación de equipo. Finalizaron abruptamente
transmisiones de televisión en Canadá y EEUU, se cortaron conversaciones telefónicas y se alteró el control de tráfico aéreo por lo que debieron aterrizar algunos aviones. Esto mereció algunos titulares.
• El satélite Telstar 401 al servicion de AT&T quedó fuera de servicio el 11/01/1997 con sólo 3 años de antigüedad por las inclemencias del clima espacial originadas en una eyección de masa coronal. Este hecho redujo considerablemente el servicio de satélites Skynet, que consistía de tres naves usadas para transmitir programas de televisión.
• El 19 de Mayo de 1998 un sistema de control del satélite de comunicaciones Galaxy IV de la corporación PanamSat quedó fuera de servicio, lo cual interrumpió en EEUU casi un día completo el servicio de radiomensajes de hasta un 90 % de los usuarios, algunas transmisiones de noticias y el funcionamiento de las máquinas de tarjetas de crédito en ciertos comercios. Al analizar las condiciones ambientales de la magnetosfera previas al incidente se encontraron contundentes evidencias de flujos elevados de electrones de muy alta energía durante las dos semanas precedentes. Eso probablemente condujo a la acumulación de excesiva carga en algún componente y una posterior descarga dañina.
• Se sospecha que un serio accidente de trenes con 19 muertos en Enero de 2000 en
Noruega pudo deberse a un cambio fatal de la señal ferroviaria a vía libre ocasionado por la elevada actividad solar.

Riesgos para la salud humana

Los pasajeros y la tripulación de un avión están directamente expuestos a los rayos cósmicos secundarios producidos en la atmósfera terrestre. Por lo antes expresado, la altura y la latitud de un vuelo y el material exterior de un avión tienen una influencia decisiva en la radiación recibida. Esta alcanza su máximo valor a unos 18 km sobre el nivel del mar, no demasiado lejos de la altura de crucero de los vuelos, que es de unos 10 km para los convencionales y de 15 km para los supersónicos, estando estos últimos por lo tanto sometidos a una irradiación más alta. No existen aún estudios sobre la variación de los efectos a lo largo del ciclo de actividad solar pero se conocen algunos resultados preocupantes. Debido al efecto de la latitud, los vuelos sobre Europa están expuestos a intensidades tres veces superiores a los realizados cerca del Ecuador. Además, volar en el Concorde puede implicar estar sometido a dosis del doble que a una altura de vuelo convencional, con valores que pueden llegar a exceder el tope permitido en las regulaciones laborales de protección radiológica. Durante el anterior máximo solar los detectores de radiación que llevan estos aviones dieron un par de veces alerta amarilla, que si hubiera pasado a roja hubiese obligado a los pilotos a sumergirse inmediatamente a menores altitudes, bajo la protección de una atmósfera más densa. Se han detectado además niveles de consideración de núcleos atómicos de elementos pesados (por ejemplo hierro) en vuelos
convencionales y más aún en supersónicos. Debe tenerse presente que los efectos que estos elementos ocasionan en la materia con la que colisionan aumentan en forma proporcional a su masa, por lo que deben estudiarse las consecuencias de esta radiación en la gente. Aquellas personas que toman un vuelo a altas latitudes para ganar horas de vuelo por el acortamiento de la distancia recorrida debieran saber que por otro lado pueden estar perdiendo salud, debido a la mayor facilidad de penetración en la atmósfera que tienen los rayos cósmicos galácticos allí. En
particular, no existen aparentemente estudios en lo que al vuelo transpolar Buenos Aires Auckland concierne. Las ventanas de las cabinas de los pilotos ponen a la tripulación de mando en un grado mayor de indefensión que los pasajeros parapetados por un entorno metálico. Un estudio efectuado en Islandia a pilotos aeronáuticos halla que la incidencia de cáncer de piel sobre los mismos es un 25 % superior respecto a quienes no ejercen esa profesión. Obviamente los astronautas no deben efectuar caminatas espaciales cuando la radiación en el medio es muy elevada por la ocurrencia de un evento solar de importancia. Hay animales migratorios como aves y ballenas que usan el campo magnético para asistirse durante su traslado de miles de km y que pueden desorientarse por grandes tormentas geomagnéticas. En un cierto intento de extender estos hechos, algunos investigadores han buscado y encontrado en humanos correlaciones entre actividad solar e infartos o ataques cerebrales, aunque no mucho más significativas que las que obtuvieron quienes han intentado
infructuosamente (al menos por ahora) hacerse ricos a través de algún posible vínculo
estadístico entre el comportamiento de nuestra estrella y la bolsa de valores.

Consecuencias en el clima terrestre

La vinculación entre clima espacial y clima terrestre es un asunto muy poco claro aún, que despierta controversias. Algunos hechos pueden revelar pistas para estudiar esta incógnita:
! Existen relámpagos que desde la parte superior de las nubes de tormenta suben e
impactan la ionosfera, estableciendo una conexión eléctrica en la atmósfera entre la
capa responsable de la meteorología terrestre y la más elevada.
! El incremento de la radiación ultravioleta durante el máximo solar y el ingreso en la atmósfera de partículas de alta energía durante tormentas espaciales son procesos que indirectamente contribuyen a incrementar la concentración de ozono, lo cual afecta la estructura térmica de la atmósfera.
! Los rayos cósmicos de muy alta energía penetran profundamente hasta las alturas de
las nubes (unos pocos km), ionizando partículas atmosféricas que pueden aumentar la formación de aquéllas. Se ha detectado efectivamente cierto aumento de la 12
cobertura global de nubes durante mínimos solares (el flujo de rayos cósmicos
galácticos aumenta cuando la actividad solar disminuye).
! Existen evidencias de un gran aumento de la actividad solar en el siglo XII y gran
parte del XIII que coincidió con el clima apacible de esa época y por el contrario
hubo épocas de muy baja actividad solar entre el fin y el comienzo de los siglos XV
y XVI y también de los siglos XVII y XVIII, que fueron correspondidas con la
existencia de inviernos muy severos.
! El denominado calentamiento global del planeta consta de un incremento de 0.5 °C
en el promedio de la superficie terrestre durante el presente siglo. Algunos
investigadores sostienen que la emisión de gases de efecto invernadero no es el único
villano y que hasta la mitad de ese incremento debe ser atribuido a la tendencia
creciente de la actividad solar media durante el mismo período.
! Están quienes sostienen que el desarrollo de los fenómenos El Niño y La Niña
guarda relación con el comportamiento solar. Hasta el día de hoy no está claramente
establecido qué es lo que dispara esos hechos y su ocurrencia algo irregular en el
tiempo.

Establecer cómo se producen detalladamente los procesos, la identificación de eslabones físicoquímicos intermedios entre causas espaciales y efectos climáticos terrestres, su secuencia y relevancia, es un gran desafío a la investigación científica en este momento, ya que no se ha avanzado mucho más allá del terreno de las conjeturas.


Fuente: Las crecientes amenazas del clima espacial sobre el sistema terrestre. (P. Alexander)


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