Riesgos derivados del Clima Espacial

0. Índice.
1. Introducción.
2. Caracterización del Clima Espacial.
3. Riesgos derivados del Clima Espacial.
4. Sistemas de observación y alerta temprana.
5. Referencias.
6. Glosario.

 


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3. Riesgos derivados del Clima Espacial.

Los riesgos derivados del clima espacial afectan tanto a las personas (en casos muy concretos) como a los sistemas eléctricos y electrónicos, particularmente a las redes de transporte eléctrico y de combustible, a los satélites y a las telecomunicaciones. En casos de actividad solar excepcional y aunque la probabilidad de ocurrencia sea relativamente baja, el clima espacial podría provocar fallos en cascada que se verían agravados por la interdependencia entre sistemas. Al finalizar las tormentas, algunos sistemas volverían a funcionar por sí mismos, como las radiocomunicaciones y el GPS. No obstante, la reparación de otros sistemas podría llevar semanas o incluso meses, como es el caso de los incendios en grandes transformadores. Se estima que, de producirse en la actualidad un nivel de actividad similar al del Evento Carrington de 1859, las pérdidas totales podrían alcanzar los 3 trillones de dólares en el primer año, es decir, 20 veces más que las provocadas por el huracán Katrina y el tiempo total de recuperación oscilaría entre 4 y 10 años [1] [13] [14].

Como efectos colaterales de los fallos generalizados del suministro eléctrico y debido a la ya mencionada interdependencia entre sistemas, podrían verse afectados el suministro de agua, los transportes públicos, los sistemas bancarios y financieros, algunos servicios gubernamentales y el almacenamiento de alimentos y medicamentos por falta de refrigeración, entre otros.

Según el NRC, la estrategia para mitigar los efectos de los riesgos derivados del clima espacial pasa por los siguientes puntos [1]:

 

3.1. Riesgos para las personas.

Las partículas de gran nivel energético asociadas a las tormentas de radiación solar pueden ser dañinas y potencialmente mortales para los astronautas que, en el momento de la tormenta, estén realizando actividades extravehiculares (EVA, Extra-Vehicular Activities) [15].

Así mismo, en el transcurso de una tormenta de radiación solar, los niveles de exposición pueden ser significativos para los pasajeros y los tripulantes de aviones que se encuentren en vuelo a elevadas latitudes, especialmente sobre el Polo Norte y si la componente Bz del campo magnético interplanetario está apuntando hacia el Sur, hecho que favorece la entrada en la atmósfera de las partículas de alto nivel energético procedentes del Sol.

Aunque la investigación sobre estos riesgos para las personas todavía se encuentra en estado embrionario, los diferentes sistemas de alerta existentes contemplan avisos al respecto. De hecho, en la actualidad, algunos de los mayores consumidores sobre información operativa relativa al clima espacial son las compañías aéreas que operan sobre el Polo Norte.

Algunos grupos sociales y esotéricos asocian el año 2012 con grandes eventos que podrían transformar el mundo, apoyándose en supuestas predicciones de la civilización Maya o de la propia Biblia, como el impacto en la Tierra de un asteroide o un cometa que podría provocar el fin del mundo. La posible coincidencia temporal con el máximo del ciclo solar 24 y el impacto mediático de este tipo de noticias hacen pensar que el clima espacial estará muy presente en los medios de comunicación de masas durante dicho periodo.

 

3.2. Riesgos en los satélites artificiales.

Las partículas de gran nivel energético asociadas a las tormentas de radiación solar pueden inyectar ruido en los sistemas de detección de los satélites artificiales, o incluso provocar daños físicos a los paneles solares, a la electrónica o a las memorias de almacenamiento. Los flujos de partículas con alto nivel energético y en ocasiones con niveles medios o bajos, pueden provocar una acumulación de carga eléctrica entre los distintos elementos que componen un satélite, sobre todo en el período de eclipse del satélite y durante la ejecución de maniobras orbitales.

Algunos electrones pueden tener el nivel energético suficiente como para atravesar las paredes de las astronaves y acumularse en materiales dieléctricos como cables coaxiales o tarjetas electrónicas, terminando por provocar importantes descargas eléctricas que pueden causar serios daños.

En lo referente a los enlaces Tierra-satélite, ya sean ascendentes o descendentes, los cambios en el gradiente de contenido total de electrones en la ionosfera provocados por las erupciones solares, pueden causar desvanecimientos (fading) y/o centelleo (scintillation) en las señales, aumentando la tasa de errores o incluso pudiendo llegar a cortar los enlaces [16]. En el caso de los sistemas de radionavegación por satélite (GPS, GLONASS, Galileo), se pueden dar casos de degradación en la precisión del posicionamiento de los usuarios. El riesgo es mayor en sistemas que operen por debajo de 2,6 GHz [6].

También pueden producirse interferencias en los sistemas vía satélite, como resultado de las ráfagas de ruido generadas en el Sol tras una erupción, si la antena parabólica de la estación de seguimiento del segmento terrestre tiene al Sol en su línea de visión directa.

Finalmente, las corrientes inducidas por las tormentas geomagnéticas en la termosfera, provocan un aumento de temperatura en dicha región, que puede ralentizar la trayectoria de los satélites de órbita baja (LEO, Low Earth Orbit).

En la fig.11 se muestra una estadística de anomalías y fallos detectados en satélites artificiales entre los años 1993 y 2007 [1].

Fig.11. Anomalías y fallos en satélites entre 1993 y 2007 (Northrop Grumman).


Aunque la gran mayoría de anomalías y fallos no tienen relación con el clima espacial, el 65 % de los eventos registrados en el año 2003 se produjeron durante la Tormenta de Halloween (ver apartado 3.5).

Los riesgos para los satélites no se producen solamente en épocas de máximos solares. En la etapa final de los mínimos solares, se producen agujeros coronales en el Sol, de los que emana viento solar a alta velocidad, causante de un aumento de la concentración de electrones energéticos en la magnetosfera que también puede causar problemas o desconexiones de satélites, tal y como sucedió con los canadienses Anik E1 y E2 en 1994.

En cualquier momento dentro de un ciclo solar también pueden producirse subtormentas magnéticas: el viento solar puede transferir energía a la cola de la magnetosfera, energía que puede liberarse en episodios violentos, afectando también a los satélites al generarse descargas electrostáticas.

 

3.3. Riesgos en sistemas de telecomunicaciones.

Las erupciones solares tienen influencia en las radiocomunicaciones de la banda de  HF unos 15 minutos después de producirse. La duración de estos fenómenos oscila entre varios minutos a alrededor de una hora.

Tras una erupción solar, se aumenta sustancialmente la emisión de rayos X en el Sol. Este incremento provoca una mayor ionización en las capas bajas de la ionosfera, con las siguientes consecuencias en la banda de HF: el valor de la frecuencia crítica disminuye (y por tanto también la MUF) y la absorción aumenta, pudiendo alcanzarse valores de hasta 38 dB de atenuación extra sobre las condiciones normales.

En la tabla 7 se muestra un listado de los posibles efectos que pueden observarse en cada banda de comunicaciones por radio, recopilados de diversas fuentes [12], así como los principales usuarios que pueden verse afectados [17].

Banda Frecuencias Usuarios Posibles efectos
ELF < 3 kHz  
  • Tormenta geomagnética: Fluctuaciones anómalas en el nivel de señal (3-8 dB). Interferencias por reflexiones múltiples en capas E y Es de la ionosfera.

  • Tormenta de radiación solar: Aumento de atenuación entre 1-4 dB/Mm.

VLF 3 kHz

30 KHz
  • Radionavegación.

  • Perturbaciones ionosféricas repentinas (SID): reflexiones ionosféricas anómalas.

  • Erupción solar: Anomalías repentinas de fase. Errores en sistemas de radionavegación de hasta 10 millas naúticas.

  • Tormenta geomagnética: Distorsión en fase y amplitud (atenuación) en trayectos que atraviesan los polos (PCA), especialmente de noche. Duración: varias horas en latitudes medias, hasta 10-20 días en latitudes altas y trayectos transpolares.

  • Aumento de los niveles de señal sobre 16 kHz, en trayectos de zona de día.

LF 30 kHz

300 kHz
  • Radionavegación (Loran-C, Chayka).

  • Erupción solar: Anomalías repentinas de fase. Errores en sistemas de radionavegación de hasta 10 millas naúticas.

  • Tormenta geomagnética: Distorsión en fase y amplitud (atenuación) en trayectos que atraviesan los polos (PCA).

MF 300 kHz

3 MHz
  • Radiodifusión.

  • Erupción solar: Anomalías repentinas de fase.

  • Tormenta geomagnética: Distorsión en fase y amplitud (atenuación) en trayectos que atraviesan los polos (PCA).

  • Mejora de la SNR en enlaces por onda de tierra, al disminuir el nivel de ruido por onda aérea, debido al incremento en la absorción.

HF 3 MHz

30 MHz
  • Usos del Estado.

  • Radiodifusión.

  • Servicio móvil marítimo.

  • Servicio móvil aeronáutico.

  • Radioaficionados.

 
  • Perturbaciones ionosféricas repentinas (SID): aumento de la absorción en la capa D (fading) durante unos 30 minutos. Ocurrencia 2 veces/semana durante el máximo.

  • Aumento de la absorción en trayectos que atraviesan los polos (PCA),  hasta en 100 dB, comenzando unas horas tras la erupción y con una duración de uno a varios días.

  • Tormenta geomagnética: aumento de la frecuencia crítica foF2 en el primer día. A continuación, descenso importante de la foF2 y de la MUF (hasta un 50%).

  • Mejora de la SNR en enlaces por onda de tierra, al disminuir el nivel de ruido por onda aérea, debido al incremento en la absorción.

VHF 30 MHz

300 MHz
  • Usos del Estado.

  • Radiodifusión.

  • Servicio móvil terrestre.

  • Servicio móvil aeronáutico.

  • Radioaficionados.

  • Teléfonos analógicos sin cordón.

  • Radiobúsqueda.

  • Telemandos.

  • Aplicaciones ICM.

  • Incremento en el nivel de ruido, empeoramiento de la SNR.

UHF 300 MHz

3 GHz
  • Usos del Estado.

  • Telefonía móvil.

  • Televisión.

  • Servicio móvil terrestre.

  • Servicio fijo.

  • Teléfonos digitales sin cordón

  • Radioaficionados.

  • Radiobúsqueda.

  • Radiolocalización.

  • Aplicaciones ICM.

  • Incremento en el nivel de ruido, empeoramiento de la SNR.

Tabla 7. Posibles efectos de las erupciones solares en las distintas bandas de radio.


Algunas fuentes [1] también hablan de la posible afectación de las tormentas geomagnéticas a los cables submarinos, que tendrían un gran impacto en Internet y en las redes de telefonía.

La NASA también cita los siguientes sistemas de telecomunicación que pueden verse afectados por el clima espacial [18]: tecnologías basadas en microchips, telefonía móvil, relojes atómicos, radioenlaces de televisión comercial, sistemas de telefonía de larga distancia y radares.

 

3.3.1. Tormentas de ruido.

El Sol emite ondas de radio en diferentes bandas, desde las centimétricas hasta las decamétricas, ya sea la actividad solar baja o alta. Estas emisiones de ruido se clasifican, según su intensidad, en una escala que va de 1 a 5 [19]:

Durante eventos relacionados con el máximo solar, las emisiones de ruido pueden llegar a tener una duración de varios días, dando lugar a una tormenta de ruido contínuo (CTM, Continuum storm), que puede afectar  a las bandas de radio de longitud de onda comprendida entre los metros y los decímetros, dándose casos de particular intensidad en frecuencias en torno a 250 MHz,

En estas bandas se ubican gran parte de los sistemas de radiocomunicaciones terrestres públicos (telefonía móvil) y privados, entre los que se encuentran los dedicados a redes terrestres de corto y medio alcance relacionadas con la Protección Civil.

Desde el momento de su generación, las tormentas de ruido tardan unos 8 minutos en alcanzar a la Tierra y su duración puede ser de 1-2 días [11].

 

3.3.2. Tormentas ionosféricas.

Las tormentas geomagnéticas pueden provocas importantes perturbaciones en la capa F de la ionosfera terrestre, dando lugar a tormentas ionosféricas. Generalmente, las tormentas ionosféricas tienen dos fases [12] [6]:

En latitudes bajas, generalmente sólo se observa la fase positiva. Las tormentas ionosféricas presentan grandes variaciones en función de la latitud geomagnética, la estación del año y la hora local.

En ocasiones, pueden registrarse fenómenos de gran intensidad denominados Perturbaciones Ionosféricas Repentinas (SID, Sudden Ionospheric Disturbances), provocando anomalías en la propagación de las ondas de radio: desvanecimientos en la banda de decamétricas, desplazamientos de fase, absorción del ruido cósmico y en ocasiones incluso mejoras en el nivel de las señales. Estas anomalías pueden tener una duración desde varios minutos a varias horas.

 

3.3.3. Eventos de absorción polar (PCA).

Los eventos de absorción polar (PCA) provocan un aumento significativo de la absorción en la banda de HF para trayectos radioeléctricos que atraviesen los polos. Estos fenómenos son críticos para los aviones comerciales que utilizan rutas transpolares, por ejemplo entre Norteamérica y Asia, ya que a latitudes superiores a 82º no suele existir cobertura en las comunicaciones vía satélite y han de confiar exclusivamente en la radio de HF.

 

3.3.4. Escala NOAA de apagones de radio.

La agencia NOAA de los Estados Unidos ha diseñado una escala para cuantificar la intensidad y los efectos de los apagones de radio, que se muestra en la tabla 8. La escala tiene 5 posibles valores directamente relacionados con las mediciones del flujo de rayos X procedentes del Sol, realizadas por los satélites GOES, facilitándose además la frecuencia con la que los eventos de cada tipo pueden ocurrir dentro de un mismo ciclo solar de 11 años.

Categoría Efectos Parámetro físico Frecuencia promedio

Escala

Descriptor

La duración del evento influye en la severidad de los efectos

Pico de rayos X registrado por el satélite GOES (clase y flujo)

Nº de eventos por ciclo solar

R5 Extremo
  • Radiocomunicaciones en HF: Apagón completo en la zona del día terrestre, durante varias horas. Imposibilidad de establacer enlaces en las comunicaciones aeronáuticas y marítimas en estas bandas.

  • Radionavegación: Los sistemas de radionavegación aeronáuticos y marítimos de baja frecuencia se ven afectados durante varias horas en la zona del día terrestre, provocando pérdidas de posicionamiento. Aumento de errores en los sistemas de radionavegación satelitales en la zona del día terrestre, que pueden durar hasta entrada la noche.

X20
(2x10-3)
Menos de 1 por ciclo
R4 Severo
  • Radiocomunicaciones en HF: Apagón en la mayor parte de la zona del día terrestre, durante una o dos horas. Imposibilidad de contactar en estas bandas durante ese tiempo.

  • Radionavegación: Afecciones a los sistemas de radionavegación de baja frecuencia durante una o dos horas. Pueden producirse afecciones menores en los sistemas de radionavegación satelitales en la zona del día terrestre.

X10
(10-3)
8 por ciclo
(8 días por ciclo)
R3 Fuerte
  • Radiocomunicaciones en HF: Apagón en las comunicaciones de HF en áreas extensas. Pérdida de las comunicaciones radio en esta banda durante una hora, en la zona del día terrestre.

  • Radionavegación: Los sistemas de radionavegación de baja frecuencia se ven degradados durante una hora.

X1
(10-4)
175 por ciclo
(140 días por ciclo)
R2 Moderado
  • Radiocomunicaciones en HF: Apagones de radio limitados en las comunicaciones de HF en algunas zonas del día terrestre, durante decenas de minutos.

  • Radionavegación: Los sistemas de radionavegación de baja frecuencia se ven degradados durante decenas de minutos.

M5
(5x10-5)
350 por ciclo
(300 días por ciclo)
R1 Menor
  • Radiocomunicaciones en HF: Apagones de radio débiles en las comunicaciones de HF en algunas zonas del día terrestre. Pérdidas ocasionales del contacto radio.

  • Radionavegación: Los sistemas de radionavegación de baja frecuencia se ven degradados durante intervalos de corta duración.

M1
(10-5)
2000 por ciclo
(950 días por ciclo)

Tabla 8. Escala NOAA de apagones de radio.

 

3.4. Riesgos en redes de transporte eléctrico y de combustible.

Las tormentas geomagnéticas también pueden afectar a los sistemas de suministro eléctrico y a algunos sistemas de transporte de combustible, como oleoductos y gasoductos, sobre todo el latitudes elevadas.

Las corrientes de inducción geomagnética (GIC, Geomagnetically Induced Currents), son corrientes de muy baja frecuencia, cercanas a la corriente contínua (DC), que se inducen en conductores eléctricos de gran longitud como líneas de alta tensión, oleoductos y gasoductos, como consecuencia de una tormenta geomagnética de gran intensidad [15] [20].

En la tabla 9, se muestra una estimación de la GIC contínua neutral que puede inducirse en un transformador en función de la intensidad de la tormenta geomagnética [1].

Severidad de la GIC GIC continua neutral
inducida en el transformador (Amps)
Índice geomagnético K
Menor 5 – 14  
Moderada 15 – 29 K7
Mayor 30 – 59 K8
Severa > 60 K9

Tabla 9. Severidad de las GIC en función de la intensidad de una tormenta geomagnética.


Normalmente, las GIC se asocian a eyecciones de masa coronal (CME) o a regiones de interacción corrotativa (CIR, Corotating Interaction Regions). Las CIR son estructuras de plasma a gran escala y de larga duración, generadas en latitudes bajas y medias de la heliosfera por la interacción de un flujo rápido estable de viento solar con el viento solar de velocidad más baja que tiene alrededor [21].

En el caso de las líneas de alta tensión, las GIC incrementan el nivel de corriente existente en dichos conductores, pudiendo provocar los siguientes efectos [8]:

Según un estudio de la Metatech Corporation, auspiciado por la Agencia Federal de Gestión de Emergencias de Estados Unidos (FEMA) y la Comisión sobre Pulsos Electromagnéticos (EMP), las tormentas geomagnéticas extremas suponen riesgos de averías de larga duración en grandes áreas de la red eléctrica norteamericana, pudiendo provocar apagones cuya solución podría extenderse durante periodos de tiempo extraordinarios, con el consiguiente impacto en cualquier otro sistema dependiente del suministro eléctrico [1]. Por ejemplo, la fabricación de un gran trasformador de alta tensión para sustituir a otro averiado puede demorarse durante 12 meses o más.

En el caso de oleoductos y gasoductos, las GIC pueden fluir entre la tubería y el suelo, incrementando la corrosión. Además, los voltajes asociados a las corrientes pueden afectar al sistema de protección catódico y a los sistemas de control [8].

Aunque, como ya se ha indicado, existe una mayor probabilidad de aparición de estos eventos en latitudes elevadas, en algunos países como Sudáfrica (entre -35ºS y -22ºS) se han llegado a producir fallos en los transformadores de algunas subestaciones eléctricas [22], por lo que ha de considerarse que podrían existir riesgos similares en España.

 

3.5. Eventos históricos.

Los siguientes eventos históricos del clima espacial que tuvieron un impacto significativo, están recopilados de diversas referencias bibliográficas [1] [6] [8] [12] [23] [24] [25].

 

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NOTA: puede realizar el seguimiento en tiempo real de la actividad solar a través del Panel de Radio HF y Clima Espacial, disponible en esta misma web.


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