Mal tiempo en heliosfera

Roa Zubia, Guillermo

Elhuyar Zientzia

La Tierra forma parte de la Heliosfera. Le llega la luz y el calor del sol y el viento solar. Y cuando el viento es fuerte, los aparatos electrónicos empiezan a fallar y los astronautas necesitan protección. Es una tormenta. La Tierra tiene un escudo magnético que la protege y, sin embargo, es necesario predecir el tiempo del espacio.
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Las erupciones solares deforman el campo magnético de la Tierra (en azul) y provocan el mal tiempo del espacio. Imagen: Guillermo Roa/Elhuyar Fundazioa.

Los satélites para televisión canadiense Ani E1 y Ani E2 fallaron en 1994 debido a la actividad solar. Eran geoestacionarios --de órbita muy alta- y el fuerte viento solar del 20 de enero afectó mucho a la electrónica de los satélites. La señal del satélite E1 tuvo una interrupción de siete horas. Y una hora después de recuperar la señal, se estropeó un giróscopo de E2, cuya función era estabilizar la orientación del satélite y la avería provocó la pérdida de orientación del satélite.

Durante cinco meses, el satélite no pudo permanecer mirando hacia la Tierra y tuvieron que hacer pasar toda la señal por el satélite E1. Los técnicos de televisión tuvieron que adaptar las antenas de los canadienses para recibir la señal desde el satélite E1 y pasaron meses hasta que, una vez reparado el E2, pudieron volver a su estado inicial.

El daño causado por el viento solar puede ser incluso mayor que la pérdida de la señal del televisor. Las tormentas solares han provocado apagones, por ejemplo, el 5 de marzo de este año se produjo una gran erupción tipo X en el Sol, la más fuerte de todos los tipos, y la interrupción de la comunicación por ondas de radio en Australia, China e India.

En cuanto a los satélites, destaca el servicio GPS. Sus satélites no son geoestacionarios, pero sí de órbita alta, y están siendo constantemente atacados por el tiempo del espacio. Según los expertos, durante una tormenta magnética, el sistema GPS puede tener una incidencia de 100 metros en el posicionamiento. El cambio de 100 metros es demasiado grande para actividades que dependen de la precisión del GPS: navegación, mantenimiento puntual de plataformas petrolíferas marinas, topografía, arquitectura, etc.

Tiempo del espacio

La mayor tormenta solar registrada en la historia fue la tormenta de Carrington en 1859. Las auroras boreales provocadas por la tormenta también fueron vistas en el Caribe. En aquella época no había satélites, pero cortó la señal del telégrafo en Europa y Norteamérica. Hoy en día, sin embargo, una tormenta de este tipo sería un desastre tecnológico.

Para minimizar las pérdidas, el primer paso sería predecir la tormenta. Al igual que en la meteorología, serían necesarios servicios de predicción permanentes.

Hay predicciones pero son limitadas. En la actualidad, la observación más exigente del viento solar se realiza en los cinturones de Van Hallen, dos zonas orbitarias alrededor de la Tierra, donde se encuentran la mayoría de los satélites. Pero no todos: muchos satélites de órbita alta, todos los geoestacionarios y otros como los del sistema GPS, están fuera de los cinturones de Van Hall, más alejados de la Tierra. Estas órbitas lejanas presentan un mayor riesgo y la capacidad predictiva actual es insuficiente. Por ello, se han puesto en marcha proyectos de mejora de la predicción, como el proyecto Spacecast de la Unión Europea.

Aurora boreal. 10 de febrero de 2011. Ed. Quicheisinsane/CC BY-NC-ND

Tormenta de dos temporadas

Los datos de las misiones al Sol también sirven para hacer predicciones, ya que la tormenta magnética viene en dos temporadas. Una erupción, además de emitir partículas cargadas, emite radiación. Ambos tienen una velocidad muy diferente. De camino a tierra, las partículas pasan dos o tres días de viaje. (En la tormenta de Carrington llegaron diecisiete horas). La radiación tarda tan sólo ocho minutos, ya que se mueve a la velocidad de la luz.

Por ello, en primer lugar se aprecia la influencia de la radiación. Inesperadamente y sin que nadie se dé cuenta, la electrónica de los satélites sufre el ataque. El campo magnético de la Tierra desvía la radiación hacia los polos, pero sólo en cierta medida; tormentas magnéticas muy fuertes alejadas también de los polos son notables. Como el 5 de marzo. De repente, las radiocomunicaciones se interrumpieron en Asia y Oceanía.

Después, aproximadamente dos horas después, las partículas cargadas más rápidas comienzan a llegar a la Tierra, las de mayor velocidad. Son pocos, pero es el comienzo de la segunda temporada. A partir de ahí, el flujo de partículas no se interrumpe y, en dos o tres días, la mayoría de las partículas cargadas llegan. Esta diferencia entre la radiación y las velocidades de las partículas permite predecir la segunda ola de tormenta. La primera temporada trae el anuncio de la segunda. Así supieron que el 7 de marzo el viento solar iba a ser muy fuerte. Sin embargo, en la actualidad la precisión de este anuncio no es elevada.

Leyendo neutrones

La forma de afinar los sistemas de predicción suele ser mirar hacia atrás en el tiempo, lo que ha hecho un equipo de detectores de neutrones de la Universidad de Delaware. Se toman los datos de las tormentas pasadas y se analiza si el sistema es capaz de calcular su efecto. La Antártida es un buen lugar porque el campo magnético de la Tierra desvía la mayor parte de las partículas hacia los polos y es muy difícil mantener un detector de neutrones en el Polo Norte, donde no hay tierra. Y la detección de neutrones también se debe a que son indicadores de viento solar. No son partículas cargadas, no hay neutrones en el viento solar. Pero los protones y electrones del viento solar chocan contra los átomos de la parte superior de la atmósfera, y eso sí, liberan neutrones.

El sistema de físicos de la Universidad de Delaware analiza las primeras partículas que llegan a la Tierra, el comienzo de la segunda oleada, y calcula cuándo y con qué fuerza llegarán la mayoría de las partículas de la temporada. De momento, los resultados han sido satisfactorios, pero sólo están al principio de la investigación.

Debilitando el escudo de la Tierra
El campo magnético de la Tierra dio la última vuelta hace 780.000 años. Homo erectus, por ejemplo, vivió este proceso. Desde entonces no ha sucedido, pero los científicos calculan que esto ha ocurrido de media cada 250.000 años. Tendría que suceder ya, pero ¿ya está pasando?
Los simulacros indican que se trata de una evolución milenaria. Inicialmente se debilita el campo magnético, se crean nuevos polos magnéticos y los polos magnéticos norte y sur anteriores dejan de ser únicos. Son más polos, pero más débiles. Y eso cambia radicalmente la relación entre la Tierra y el Sol. El viento solar llega a más lugares de la Tierra, la radiación aumenta las mutaciones en el material genético de los seres vivos y los ecosistemas cambian. Esta radiación no produce, por ejemplo, desapariciones masivas, pero las condiciones de la Tierra cambian. Al final, la situación retrocede hasta que sólo quedan dos polos, inversos a los iniciales, y el campo se refuerza.
La Tierra puede estar al principio de este proceso. En los últimos 150 años el campo magnético se ha debilitado un 15%. Pero puede que no sea así.
William Dean Pesnell: "La mayor dificultad de la misión SDO es mantener el flujo de datos correctamente"
Para predecir cuándo el viento solar se transformará en una tormenta es muy importante observar constantemente la estrella y obtener datos de su actividad. Una de las misiones que desempeñan este trabajo es la del satélite SDO, el observatorio Solar Dynamics Observatory gestionado por la NASA. El responsable científico de la misión es William Dean Pesnell, que ha hablado para la revista Elhuyar sobre el SDO y su trabajo:
"Trabajo en el Goddard Space Flight de la NASA con científicos e ingenieros para mantener en marcha el observatorio SDO, vigilando la transmisión de datos científicos para bases de datos y trabajando con datos que indican la salud de la nave espacial y sus herramientas. Nuestro equipo está en diferentes lugares: Goddard, la Universidad de Colorado, la Universidad de Stanford y la empresa Lockheed Martin. Eso significa que tengo que leer y escribir muchos mensajes porque cada uno trabajamos en nuestro horario.
William Dean Pesnell es físico de la NASA y responsable científico del observatorio SDO. Ed. NASA ©
Dado que el SDO dispone de una órbita geoestacionaria, una sola estación es suficiente para la recogida continua de todos los datos. Esta estación se encuentra al sur de Nuevo México. Allí recogemos los datos del SDO y los distribuimos a grupos de científicos. Si el envase tuviera otro tipo de órbita, debería conservar los datos hasta su transmisión en el siguiente paso sobre el centro.
La mayor dificultad de la misión es mantener el flujo de datos correctamente. Hasta ahora todos los problemas han surgido en el suelo: unos apagones, unos cortes de cables y el tiempo ha cortado los datos. Pero a pesar de haber sido, hemos conseguido que el 99,97% de los datos enviados por la nave espacial sean recogidos y almacenados.
Un aparato llamado EVE ( Extreme ultraviolet Variability Experimental ) mide una pequeña parte de la energía solar, es decir, de la radiación de longitud de onda inferior a 100 nm. Se llama irradiancia espectral. Estas longitudes de onda varían con la actividad del Sol, sobre todo en erupciones solares, y debemos medirlas en el espacio porque son absorbidas por la atmósfera terrestre.
Ciclos 23 y 24 de la actividad solar. Los ciclos se cuentan desde 1755 y actualmente estamos en el 24. En la imagen se representa el ciclo 23 completo con los datos del ciclo actual y la evolución esperada. Ed. NASA/msfc ©
La actividad solar tiene un ciclo de 11 años y la irradiancia varía aproximadamente un 0,1%. La variación es realmente muy pequeña, pero en algunas longitudes de onda la variación es muy grande: Son 1000 veces mayores en erupciones. Por lo tanto, la variación de toda la irradiancia es pequeña, pero la incidencia de una parte es muy elevada. Los astrónomos saben que el Sol no debería cambiar así. Pero cambia, lo que nos da una idea de lo que supone un ciclo de 11 años.
Proviene de la zona de convección, de una parte interna del Sol, donde el calor se mueve debido a que suben las burbujas formadas por material caliente por debajo. Y surge el ciclo porque el movimiento del material genera un campo magnético; el sol es una dinamo. Estos movimientos son muy complejos, por lo que el ciclo no es totalmente regular. El ciclo mínimo de "11 años" puede ser de 9 años y el máximo de 14.
El SDO queda tres años para responder a nuestras preguntas de investigación: qué es lo que provoca el campo magnético del Sol, cómo se destruye y si se pueden predecir las características del campo".
Regalo final, a veces verde
Julio Verne hizo famoso el rayo verde con una novela. Si el cielo está muy limpio, a veces se ve al atardecer desde el nivel del mar: el último rayo de sol es verde. En las mejores condiciones, los dos últimos segundos aproximadamente. Una leyenda dice que dos personas que ven el rayo verde se enamoran juntos, y Verne abordó esa leyenda para escribir la novela. Y por la leyenda y la fama de la novela, muchas veces se ha puesto en duda que el rayo verde no es más que un invento.
Ed. Inaglory/CC BY-SA de Brock
Pero el rayo verde no es un invento. Es un auténtico fenómeno óptico. La explicación física no es compleja; cuando la luz llega con un pequeño ángulo, la atmósfera actúa como un prisma, es decir, refracta los colores de la luz en diferentes direcciones. Y en determinadas condiciones este efecto se ve. Al anochecer o al amanecer. Al espectador le llegan los rayos verdes.
De vez en cuando la refracción es tan grande como para ver también los rayos azules. Es muy difícil ver el Sol azul a simple vista. El verde también es difícil de ver, prueba de ello es que hay pocas fotos de rayo verde en comparación con las de la puesta de sol. El rayo verde es más fácil de ver en los trópicos, pero cuando las condiciones son adecuadas, también puede verse en latitudes mayores.
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