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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PrincipalArtículos TécnicosRiesgos derivados del Clima Espacial Sistemas de observación y alerta temprana

4. Sistemas de observación y alerta temprana.

Los sistemas de alerta temprana sobre eventos del clima espacial son fundamentales para la puesta en marcha de acciones preventivas en determinadas infraestructuras críticas.

Actualmente, puede afirmarse que no existe ningún sistema dedicado completamente a la monitorización del clima espacial, utilizándose medios que originalmente han sido diseñados para otros tipos de misiones científicas.

En este apartado se describen los centros de estudio, seguimiento y predicción del clima espacial más importantes que operan actualmente a nivel mundial, la tecnología de monitorización disponible y los organismos que emiten alertas al respecto.

 

4.1. Centros de estudio, seguimiento y predicción.

La monitorización y los estudios sobre el clima espacial han proliferado en varios países, especialmente en los últimos años. En este apartado se muestran algunos ejemplos.

 

4.1.1. Centros en los Estados Unidos.

En los Estados Unidos, la observación del clima espacial y la emisión de alertas están a cargo fundamentalmente de dos agencias:

Sitio web de AFWA: http://www.afweather.af.mil/units/spaceweatheroperations.asp

En el año 2005, las actividades de la NOAA relacionadas con el clima espacial se trasladaron de la Oficina de Investigación Oceánica y Atmosférica (rama de investigación) al Servicio Meteorológico Nacional (rama de operaciones), dentro de cuyo presupuesto anual se destinan entre 5-6 M$ a las actividades relacionadas con el clima espacial [1] [27].

El SWPC tiene la capacidad de predecir una erupción solar de clase X con una antelación de entre 1 y 3 días y baja probabilidad de falsa alarma. No obstante, su capacidad de predecir perturbaciones ionosféricas, ya sean a corto o largo plazo, es mucho menor. Por ejemplo, tras una eyección de masa coronal, se puede avisar de la posterior tormenta geomagnética con aproximadamente una hora de antelación. Las alertas pueden ser fundamentales para poner en aviso a las compañías eléctricas y de telecomunicaciones, que de esta forma podrán posponer trabajos programados, reforzar sus turnos de trabajo, desconectar preventivamente dispositivos críticos y minimizar las transferencias entre redes adyacentes para minimizar el posible impacto de las tormentas de radiación solar y electromagnéticas.

Las misiones encomendadas al SWPC son:

Tanto la NOAA como la USAF utilizan modelos predominantemente empíricos para realizar sus predicciones.

Sitio web del SWPC/NOAA: http://www.swpc.noaa.gov/

Dentro de los presupuestos federales para el año fiscal 2010, la Administración de Estados Unidos dedicó 605 M$ a la investigación heliofísica de la NASA (2,2% superior al presupuesto del 2009) y 11 M$ para actividades de la NOAA relacionadas con el clima espacial (2,7 M$ superior al del año anterior). Por otro lado, en el presente año 2010 la USAF ya está modernizando sus observatorios solares, adquiriendo nuevos sensores del clima espacial y desarrollando nuevos modelos físicos que permitan caracterizar el entorno Tierra-Sol, predecir el impacto en las operaciones y proteger sus recursos [28].

En los Estados Unidos se desarrollan periódicamente foros de debate sobre el clima espacial, con la participación de la industria y de instituciones gubernamentales y académicas:

 

4.1.2. Iniciativas europeas.

En Europa existen iniciativas nacionales, de la Unión Europea y de la Agencia Espacial Europea [29], lo que en ocasiones provoca solapes en determinadas áreas de investigación. En la fig.12 se muestran las principales iniciativas europeas relacionadas con el clima espacial [1].

Fig.12. Iniciativas europeas relacionadas con el clima espacial (Rutherford Appleton Laboratory).


Una de las iniciativas más importantes es SWENET (Space Weather European Network), o Red Europea del Clima Espacial, fundada originalmente por la ESA y a la que dicha agencia sigue apoyando como una actividad de investigación y desarrollo. La infraestructura de SWENET está operativa desde el año 2005, como un recurso centralizado de actividades relacionadas con el clima espacial, falicitando datos y servicios a los usuarios interesados.

Sitio web de SWENET: http://www.esa-spaceweather.net/swenet/

Una de las iniciativas de SWENET es el proyecto DIAS (European Digital Upper Atmosphere Server), orientado a la explotación de datos para realizar predicciones ionosféricas y en el que participan dos instituciones españolas: el Instituto Nacional de Técnica Aerospacial (INTA) y el Observatorio del Ebro.

También auspiciado por la ESA, el Grupo de Trabajo sobre el Clima Espacial (SWWT, Space Weather Working Team) es un foro abierto de expertos europeos científicos para el desarrollo aplicaciones orientadas al clima espacial, en el que además de la ESA también participan instituciones españolas como el INTA, la Universidad de Alcalá y la Universidad de Barcelona.

         Destacar también las iniciativas COST (European Cooperation in Science and Technology o Cooperación Europea en Ciencia y Tecnología), uno de los instrumentos más antiguos de cooperación entre científicos e investigadores de toda Europa. Se trata de un marco intergubernamental que posibilita la coordinación de actividades de investigación a nivel europeo con fondos nacionales. COST tiene dos iniciativas para desarrollar una red interdisciplinar de científicos europeos trabajando sobre el clima espacial:

Sitio web de COST ES0803: http://www.costes0803.noa.gr/

Finalmente, una de las iniciativas más recientes de la ESA es el Programa Preparatorio de Consciencia Situacional Espacial (SSA-PP, Space Situational Awareness Preparatory Programme) [30], autorizado por el Consejo Ministerial de la ESA en noviembre de 2008 y lanzado formalmente en enero de 2009. Tras un periodo inicial que durará hasta el año 2011, los servicios operativos completos quedarán implementados entre 2011-2019, conforme se vayan aprobando. Aparte de la vigilancia espacial y el seguimiento de objetos cercanos a la Tierra, este programa también se dedica a monitorizar de qué forma las condiciones del Sol, del viento solar, de la magnetosfera terrestre y de la ionosfera pueden afectar a las astronaves y a la infraestructura terrestre o poner en peligro la salud o la vida humana.

Sitio web del programa SSA-PP (ESA): http://www.esa.int/SPECIALS/SSA/index.html

En Europa se organiza, con una periodicidad anual, la Semana Europea del Clima Espacial (ESWW, European Space Weather Week). Se trata de un foro organizado por la ESA, el grupo COST ES0803 y otras organizaciones, con el objetivo de reunir a las diferentes comunidades que trabajan en asuntos relacionados con el clima espacial y cuyo principal foco es la implicación de los usuarios en dichas actividades.

 

4.1.3. Iniciativas de Naciones Unidas.

En Naciones Unidas también existe concienciación sobre los asuntos relativos al clima espacial y muestra de ello es la puesta en marcha de la Iniciativa Internacional del Clima Espacial (ISWI, International Space Weather Initiative). Se trata de un programa internacional de cooperación para promover los avances en las ciencias del clima espacial mediante una combinación de despliegue de instrumentos, análisis e interpretación de datos, construcción de modelos y comunicación de la información resultante al público en general y a estudiantes en particular. España participa en la Iniciativa ISWI a través de la Universidad de Alcalá.

Sitio web de la iniciativa ISWI (ONU): http://www.iswi-secretariat.org/

 

4.1.4. Iniciativas en otros países.

Otra importante agencia de vigilancia y predicción es IPS Radio and Space Services, del Gobierno de Australia, cuyos trabajos se centran principalmente en los sistemas radio de HF, la exploración geofísica, la protección de redes eléctricas y oleoductos y las operaciones de satélites [31]. La agencia opera una extensa red de estaciones de monitorización y observatorios en Australia y en la Antártida para recopilar información sobre el clima espacial que pueda ser útil a las operaciones de sus clientes, además de mantener un contacto permanente con agencias similares de otros países.

En China, existe un proyecto denominado KuaFu para la monitorización del clima espacial, que incluye el futuro lanzamiento de una sonda para monitorizar el viento solar.

Otras organizaciones a destacar son el Rutherford Appleton Laboratory del Reino Unido y el Solar Influences Data Center (SIDC) de Bélgica.


4.1.5. Situación en España.

En España, aparte de la participación en proyectos internacionales, se desarrollan al menos las siguientes actividades:

En lo referente a los sistemas de información que pudieran desarrollarse para la difusión de alertas, la Universidad Carlos III de Madrid dispone de la experiencia de desarrollo de varias herramientas utilizadas en Protección Civil.

 

4.2. Tecnología de monitorización del clima espacial.

Los sistemas de observación y detección de los eventos relacionados con el clima espacial se ubican tanto en la propia Tierra como en el espacio exterior. En la fig.13 se muestran las misiones espaciales de la NASA y otras organizaciones como la Agencia Espacial Europea, para la monitorización del clima espacial [1] [32].

Fig.13. Misiones encargadas de la recolección de datos heliofísicos (NASA).


Los satélites de observación utilizan una combinación de sensores remotos y de medidores directos del viento solar. Hay que remarcar que los objetivos de las misiones de la NASA son principalmente científicos y que esta agencia no elabora datos de predicción ni de consciencia situacional (SA, Situational Awareness), aunque los datos recopilados por sus sondas se utilizan por otras agencias para estos fines.

En los siguientes apartados se muestra información de interés sobre algunas de las misiones más destacadas de monitorización y estudio del clima espacial.

 

4.2.1. Advanced Composition Explorer (ACE).

El satélite ACE proporciona datos a la NOAA desde su posición orbital ubicada en el punto Lagrangiano L1, entre el Sol y la Tierra, constituyendo una fuente primaria de mediciones de las partículas solares y el campo heliomagnético. ACE puede proporcionar alertas del impacto de eyecciones de masa coronal del Sol en la Tierra con unos 45 minutos de antelación [1].

Los objetivos primarios de la misión ACE son la realización de mediciones y comparaciones de la composición de varios tipos de muestras de la materia, incluyendo la corona solar, el viento solar y otras poblaciones de partículas interplanetarias.

La misión se inició el 25 de agosto de 1997. Entre los instrumentos de interés a bordo de la astronave para el estudio del clima espacial, figuran los siguientes:

En la fig.14 se muestran los datos de viento solar recogidos por ACE/SWEPAM entre el 8 de julio y el 8 de agosto del año 2000. Se observa perfectamente la tormenta solar del día de la Bastilla, entre los días 14-15 de julio.

Fig.14. La tormenta del día de la Bastilla registrada por ACE/SWEPAM (NASA).

 

Sitio web de la misión ACE: http://www.srl.caltech.edu/ACE/

 

4.2.2. Solar and Heliospheric Observatory (SOHO).

El Observatorio Solar y Heliosférico (SOHO) es un esfuerzo cooperativo conjunto entre la ESA y la NASA, diseñado para estudiar la estructura interna del Sol, la heliosfera y los orígenes del viento solar. Lanzada en diciembre de 1995, la sonda fue ensamblada en Europa y dispone de instrumentos europeos y norteamericanos. La NASA fue la responsable del lanzamiento y actualmente se encarga de las operaciones.

La sonda cuenta con un total de doce instrumentos a bordo, entre ellos:

En la fig.15 se muestra la eyección de masa coronal que provocó la tormenta solar del día de la Bastilla en el año 2000, registrada por uno de los coronógrafos de SOHO.

Fig.15. CME causante de la tormenta del día de la Bastilla, registrada por SOHO (NASA).


Sitio web de la misión SOHO: http://sohowww.nascom.nasa.gov/

 

4.2.3. Solar Terrestrial Relations Observatory (STEREO).

STEREO es la tercera misión del programa de sondas solares-terrestres de la NASA, lanzada en octubre de 2006 y con una duración inicial de dos años, aunque todavía en servicio. Consta de dos sondas-observatorio casi idénticas en la misma órbita que la Tierra, una por delante y otra por detrás de su trayectoria. El objetivo principal de la misión es estudiar la estructura 3D de las eyecciones de masa coronal (CME), para determinar su origen.

Los paquetes de instrumentos a bordo de las sondas son:

En la fig.16 se muestra una prominencia solar detectada por las sondas STEREO entre el 26 y el 27 de septiembre de 2009, que tuvo una duración de 30 horas.

Fig.16. Prominencia solar detectada por las sondas STEREO (NASA).


Sitio web de la misión STEREO: http://www.nasa.gov/mission_pages/stereo/main/index.html

 

4.2.4. Solar Dynamics Observatory (SDO).

El Observatorio Dinámico Solar (SDO) es la primera misión del programa de la NASA “Living With a Star”, diseñado para comprender las causas de la variabilidad del Sol y su impacto en la Tierra. Valorado en 806 M$, el SDO está diseñado para analizar la influencia del Sol en la Tierra y en el espacio cercano a la misma, estudiando la heliosfera a pequeñas escalas de espacio y tiempo y en varias longitudes de onda, de forma simultánea. Se trata de determinar cómo se genera y estructura el campo magnético solar y como la energía magnética que almacena el Sol se convierte y se libera hacia la heliosfera y el espacio exterior en forma de viento solar, partículas energéticas y variaciones en la irradiancia solar.

La SDO es la misión más reciente para el estudio del clima espacial, puesta en servicio en febrero de 2010. Lleva a bordo tres experimentos científicos:

En la fig.17 se muestra una imagen combinada del Sol en tres longitudes de onda distintas, que se asocian a diferentes temperaturas, tomada por el observatorio SDO.

Fig.17. Prominencia solar detectada por las sondas STEREO (NASA).


Con el Observatorio Solar Dinámico, la NASA ha adquirido la capacidad de proporcionar información de interés sobre el clima espacial con un retraso de tan sólo 15 minutos.

Sitio web de la misión SDO: http://sdo.gsfc.nasa.gov/

 

4.2.5. Geostationary Environmental Satellites (GOES).

Los satélites GOES dependen de la NOAA y su uso primario es la monitorización de la meteorología en la Tierra, aunque algunos de ellos también disponen de instrumentos de monitorización del clima espacial, como es el caso de los GOES-13, GOES-14 y GOES-15, que incorporan cámaras de rayos X, magnetómetros y monitores de protones y electrones energéticos, dentro del programa SXI de NOAA.

En la fig.18 se muestran las mediciones realizadas en la gama de rayos X por la sonda GOES-8, predecesora de las actualmente en servicio, durante las erupciones solares que dieron lugar a la tormenta del día de la Bastilla, en julio del año 2000.

Fig.18. Erupciones solares de la tormenta del día de la Bastilla, registradas por GOES (NOAA).


Sitio web del programa GOES SXI: http://www.swpc.noaa.gov/sxi/index.html

4.2.6. Observatorios terrestres.

Entre los observatorios terrestres que participan en la monitorización del clima espacial, figuran:

Destacar también la existencia de una red mundial de magnetómetros dependientes de instituciones oficiales y universitarias

 

4.2.7. Ejemplo de seguimiento de una tormenta solar.

En la fig.19 se muestra una secuencia de imágenes tomadas el 28 de octubre de 2003 por dos sondas de la NASA y que reflejan de qué forma se monitorizaron los comienzos de la tormenta de Halloween.

Fig.19. Monitorización de la tormenta de Halloween (NOAA).


La imagen de la parte superior izquierda muestra un Sol tranquilo pero con dos grandes manchas solares en la parte central. En la imagen superior derecha, el telescopio EIT de la sonda SOHO detecta una gran llamarada solar, originada en una de las manchas y de gran intensidad en el espectro de los rayos X. Dieciocho minutos más tarde, el coronógrafo LASCO de la misma sonda detecta una gigantesca eyección de masa coronal (CME) asociada a la llamarada anterior. Una hora y media después, gran cantidad de iones y protones energéticos alcanzan la sonda, provocando un efecto de nieve en la imagen y confirmando que la tormenta solar se dirige hacia la Tierra.

 

4.3. Difusión de alertas y predicciones.

Enlazar el conocimiento científico con la toma de decisiones es uno de los retos más importantes de la comunidad del clima espacial. La clave de que este enlace se produzca de forma efectiva reside en que la información proporcionada por los científicos cumpla tres condiciones [33]:

El retraso en la presentación de las alertas y las predicciones oscila entre unos minutos y algunas horas desde el momento en el que sucede un evento de clima espacial, debido al procesamiento o incluso a la introducción de los datos en modelos numéricos. Los datos suelen estar disponibles durante las 24 horas del día y en algunos casos, los usuarios finales pueden solicitar productos bajo demanda o la recepción de los mismos a través de listas de correo electrónico [1].

El retraso en cuestión puede o no ser crítico, en función del destinatario de la alerta. Por ejemplo, un operador de transporte eléctrico de alta tensión necesita al menos 15 minutos  para realizar las operaciones de protección necesarias en su red de transporte. En este caso particular, la información proporcionada por la sonda ACE, con una antelación de 45 minutos antes de que una tormenta geomagnética provocada por una eyección de masa coronal alcance la Tierra, puede ser perfectamente suficiente.

Uno de los retos científicos actuales es la reducción del tiempo con el que se emiten las alertas, mediante la mejora de los modelos numéricos empleados para calcular el impacto de los eventos del clima espacial.

 

4.3.1. SWPC/NOAA.

El SWPC de la NOAA ofrece gratuitamente gran cantidad de productos y servicios a la comunidad relacionada con el clima espacial, a través de varios medios:

Entre los datos de mayor interés figuran:

Algunas de las alertas del SWPC también se difunden por radio en HF, a través de la estación WWV del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de Estados Unidos (NIST, National Institute of Standards and Technology), en 2.5, 5, 10, 15 y 20 MHz, 18 minutos después de cada hora en punto.

Actualmente, la NOAA coordina la generación de productos de alerta para el Centro de Operaciones de la FEMA (Federal Emergency Management Agency) [10].

 

4.3.2. SWENET.

La Red Europea del Clima Espacial (SWENET) ofrece servicios relacionados con predicciones del clima espacial, efectos ionosféricos, efectos de las corrientes inducidas geomagnéticamente (GIC) y efectos en astronaves y aeronaves, todos ellos a través de su sitio web en Internet: http://www.esa-spaceweather.net/swenet/

 

4.3.3. Portal Europeo del Clima Espacial.

El Portal Europeo del Clima espacial es una iniciativa del grupo de trabajo COST 724, que constituye un sitio web integrado para proveer de un punto de acceso centralizado a la comunidad relacionada con el clima espacial, con el objetivo de compartir sus conocimientos y el resultado de sus investigaciones. Los servicios proporcionados por el portal incluyen el acceso a datos sobre el clima espacial (en formatos gráficos y numéricos), a una plataforma que permite realizar simulaciones con modelos numéricos y a predicciones del clima espacial y de sus efectos sobre sistemas tecnológicos. El portal está disponible en: http://www.spaceweather.eu/en/

 

4.3.4. IPS Radio and Space Services.

La agencia australiana del clima espacial ofrece información en tiempo real sobre las condiciones solares (velocidad del viento solar, flujo de rayos X), las condiciones geofísicas (alertas geomagnéticas y de auroras), el estado de la propagación en la banda de HF, las condiciones ionosféricas y el contenido total de electrones en la ionosfera, entre otros servicios que se ofrecen a través de su portal: http://www.ips.gov.au/

En la fig.20 se muestra un ejemplo de alerta geomagnética emitida por el IPS.

Fig.20. Ejemplo de alerta geomagnética (IPS).

 

4.3.5. Otras fuentes.

El autor de este informe mantiene un sitio web en el que se recopila la información de monitorización del clima espacial, difusión de alertas y predicciones, elaboradas por distintas agencias de interés. El sitio web incluye también una ayuda interactiva para interpretar los distintos parámetros y está disponible en español y en inglés: http://www.ipellejero.es/hf/

 

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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