Clima espacial
El clima espacial es una rama de la física espacial y la aeronomía, o heliofísica, que se ocupa de las condiciones variables en el tiempo dentro del Sistema Solar, incluido el viento solar, enfatizando el espacio que rodea la Tierra, incluidas las condiciones en la magnetosfera, la ionosfera, la termosfera y la exosfera. El clima espacial es distinto, pero conceptualmente relacionado con el clima terrestre de la atmósfera de la Tierra (troposfera y estratosfera). El término "clima espacial" se utilizó por primera vez en la década de 1950 y pasó a ser de uso común en la década de 1990. Más tarde, se generalizó a un "clima espacial" Disciplina de investigación, que se centra en los comportamientos generales de las variabilidades y los efectos a más largo plazo y a mayor escala.
Historia
Durante muchos siglos, los efectos del clima espacial se notaron, pero no se entendieron. Durante mucho tiempo se han observado exhibiciones de luz auroral en latitudes altas.
Génesis
En 1724, George Graham informó que la aguja de una brújula magnética se desviaba regularmente del norte magnético en el transcurso de cada día. Este efecto finalmente fue atribuido a las corrientes eléctricas aéreas que fluyen en la ionosfera y la magnetosfera por Balfour Stewart en 1882, y Arthur Schuster lo confirmó en 1889 a partir del análisis de los datos del observatorio magnético.
En 1852, el astrónomo y mayor general británico Edward Sabine demostró que la probabilidad de que se produjeran tormentas magnéticas en la Tierra estaba correlacionada con el número de manchas solares, lo que demuestra una interacción solar-terrestre novedosa. En 1859, una gran tormenta magnética provocó brillantes auroras e interrumpió las operaciones telegráficas globales. Richard Christopher Carrington conectó correctamente la tormenta con una llamarada solar que había observado el día anterior en la vecindad de un gran grupo de manchas solares, lo que demuestra que eventos solares específicos podrían afectar a la Tierra.
Kristian Birkeland explicó la física de las auroras creando auroras artificiales en su laboratorio y predijo el viento solar.
La introducción de la radio reveló que ocurrían períodos de estática o ruido extremos. La grave interferencia del radar durante un gran evento solar en 1942 condujo al descubrimiento de las ráfagas de radio solares (ondas de radio que cubren un amplio rango de frecuencias creadas por una erupción solar), otro aspecto del clima espacial.
El siglo XX
En el siglo XX, el interés por el clima espacial se expandió a medida que los sistemas militares y comerciales comenzaron a depender de los sistemas afectados por el clima espacial. Los satélites de comunicaciones son una parte vital del comercio global. Los sistemas de satélites meteorológicos proporcionan información sobre el clima terrestre. Las señales de los satélites de un sistema de posicionamiento global (GPS) se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones. Los fenómenos meteorológicos espaciales pueden interferir o dañar estos satélites o interferir con las señales de radio con las que operan. Los fenómenos meteorológicos espaciales pueden causar sobretensiones dañinas en las líneas de transmisión de larga distancia y exponer a los pasajeros y la tripulación de los aviones a la radiación, especialmente en las rutas polares.
El Año Geofísico Internacional incrementó la investigación sobre el clima espacial. Los datos obtenidos desde tierra durante el IGY demostraron que las auroras se produjeron en un óvalo auroral, una región permanente de luminiscencia de 15 a 25° de latitud desde los polos magnéticos y de 5 a 20° de ancho. En 1958, el satélite Explorer I descubrió los cinturones de Van Allen, regiones de partículas de radiación atrapadas por el campo magnético terrestre. En enero de 1959, el satélite soviético Luna 1 observó directamente por primera vez el viento solar y midió su fuerza. Un Año Heliofísico Internacional (IHY) más pequeño ocurrió en 2007-2008.
En 1969, INJUN-5 (o Explorer 40) realizó la primera observación directa del campo eléctrico impreso en la ionosfera de alta latitud de la Tierra por el viento solar A principios de la década de 1970, los datos de Triad demostraron que las corrientes eléctricas permanentes fluían entre el óvalo auroral y la magnetosfera.
El término "clima espacial" entró en uso a fines de la década de 1950 cuando comenzó la era espacial y los satélites comenzaron a medir el entorno espacial. El término recuperó popularidad en la década de 1990 junto con la creencia de que el impacto del espacio en los sistemas humanos exigía un marco de investigación y aplicación más coordinado.
Programa Nacional de Clima Espacial de EE. UU.
El propósito del Programa Nacional de Meteorología Espacial de EE. UU. es centrar la investigación en las necesidades de las comunidades comerciales y militares afectadas, conectar las comunidades de investigación y de usuarios, crear una coordinación entre los centros de datos operativos y definir mejor las necesidades de la comunidad de usuarios.. NOAA opera el Centro de Predicción del Clima Espacial del Servicio Meteorológico Nacional.
El concepto se convirtió en un plan de acción en 2000, un plan de implementación en 2002, una evaluación en 2006 y un plan estratégico revisado en 2010. Se programó la publicación de un plan de acción revisado en 2011 seguido de un plan de implementación revisado en 2012.
Fenómenos
Dentro del Sistema Solar, el clima espacial está influenciado por el viento solar y el campo magnético interplanetario transportado por el plasma del viento solar. Una variedad de fenómenos físicos están asociados con el clima espacial, incluidas las tormentas y subtormentas geomagnéticas, la activación de los cinturones de radiación de Van Allen, las perturbaciones ionosféricas y el centelleo de las señales de radio de satélite a tierra y las señales de radar de largo alcance, las auroras y las corrientes inducidas geomagnéticamente. en la superficie de la Tierra. Las eyecciones de masa coronal también son impulsores importantes del clima espacial, ya que pueden comprimir la magnetosfera y desencadenar tormentas geomagnéticas. Las partículas energéticas solares (SEP) aceleradas por eyecciones de masa coronal o erupciones solares pueden desencadenar eventos de partículas solares, un factor crítico del clima espacial de impacto humano, ya que pueden dañar los componentes electrónicos a bordo de las naves espaciales (por ejemplo, la falla del Galaxy 15), y amenazar la vida de los astronautas, así como aumentar los riesgos de radiación para la aviación de gran altitud y gran latitud.
Efectos
Electrónica de naves espaciales
Algunas fallas de naves espaciales se pueden atribuir directamente al clima espacial; se cree que muchos más tienen un componente de clima espacial. Por ejemplo, 46 de las 70 fallas reportadas en 2003 ocurrieron durante la tormenta geomagnética de octubre de 2003. Los dos efectos meteorológicos espaciales adversos más comunes en las naves espaciales son los daños por radiación y la carga de las naves espaciales.
La radiación (partículas de alta energía) atraviesa la piel de la nave espacial y llega a los componentes electrónicos. En la mayoría de los casos, la radiación provoca una señal errónea o cambia un bit en la memoria de la electrónica de una nave espacial (alteraciones de un solo evento). En unos pocos casos, la radiación destruye una sección de la electrónica (latchup de evento único).
La carga de una nave espacial es la acumulación de una carga electrostática en un material no conductor en la superficie de la nave espacial por partículas de baja energía. Si se acumula suficiente carga, se produce una descarga (chispa). Esto puede hacer que la computadora de la nave espacial detecte una señal errónea y actúe en consecuencia. Un estudio reciente indicó que la carga de las naves espaciales es el efecto meteorológico espacial predominante en las naves espaciales en órbita geosíncrona.
Cambios en la órbita de la nave espacial
Las órbitas de las naves espaciales en órbita terrestre baja (LEO) decaen a altitudes cada vez más bajas debido a la resistencia de la fricción entre la superficie de la nave espacial (es decir, , arrastre) y el exterior. capa de la atmósfera terrestre (o la termosfera y la exosfera). Eventualmente, una nave espacial LEO cae fuera de órbita y hacia la superficie de la Tierra. Muchas naves espaciales lanzadas en las últimas décadas tienen la capacidad de disparar un pequeño cohete para gestionar sus órbitas. El cohete puede aumentar la altitud para extender la vida útil, para dirigir el reingreso hacia un sitio (marino) en particular, o enrutar el satélite para evitar colisiones con otras naves espaciales. Tales maniobras requieren información precisa sobre la órbita. Una tormenta geomagnética puede provocar un cambio de órbita en unos pocos días que, de lo contrario, ocurriría durante un año o más. La tormenta geomagnética agrega calor a la termosfera, lo que hace que la termosfera se expanda y se eleve, lo que aumenta la resistencia de las naves espaciales. La colisión de satélites de 2009 entre el Iridium 33 y el Cosmos 2251 demostró la importancia de tener un conocimiento preciso de todos los objetos en órbita. Iridium 33 tenía la capacidad de maniobrar fuera del camino de Cosmos 2251 y podría haber evadido el choque, si hubiera estado disponible una predicción de colisión creíble.
Humanos en el espacio
La exposición de un cuerpo humano a la radiación ionizante tiene los mismos efectos nocivos ya sea que la fuente de radiación sea una máquina médica de rayos X, una planta de energía nuclear o radiación en el espacio. El grado del efecto nocivo depende de la duración de la exposición y de la densidad de energía de la radiación. Los cinturones de radiación siempre presentes se extienden hasta la altitud de las naves espaciales tripuladas, como la Estación Espacial Internacional (ISS) y el transbordador espacial, pero la cantidad de exposición se encuentra dentro del límite aceptable de exposición de por vida en condiciones normales. Durante un gran evento meteorológico espacial que incluye un estallido SEP, el flujo puede aumentar en órdenes de magnitud. Las áreas dentro de la ISS brindan protección que puede mantener la dosis total dentro de límites seguros. Para el transbordador espacial, tal evento habría requerido la terminación inmediata de la misión.
Sistemas terrestres
Señales de naves espaciales
La ionosfera desvía las ondas de radio de la misma manera que el agua de una piscina desvía la luz visible. Cuando el medio a través del cual viajan tales ondas se altera, la imagen de luz o la información de radio se distorsiona y puede volverse irreconocible. El grado de distorsión (centelleo) de una onda de radio por la ionosfera depende de la frecuencia de la señal. Las señales de radio en la banda VHF (30 a 300 MHz) pueden distorsionarse hasta quedar irreconocibles por una ionosfera perturbada. Las señales de radio en la banda UHF (300 MHz a 3 GHz) transitan por una ionosfera perturbada, pero es posible que un receptor no pueda mantenerse sincronizado con la frecuencia portadora. El GPS utiliza señales de 1575,42 MHz (L1) y 1227,6 MHz (L2) que pueden verse distorsionadas por una ionosfera perturbada. Los eventos del clima espacial que corrompen las señales de GPS pueden impactar significativamente a la sociedad. Por ejemplo, el sistema de aumento de área amplia operado por la Administración Federal de Aviación (FAA) de EE. UU. se utiliza como herramienta de navegación para la aviación comercial de América del Norte. Está desactivado por cada evento meteorológico espacial importante. Las interrupciones pueden variar de minutos a días. Los principales eventos meteorológicos espaciales pueden empujar la ionosfera polar perturbada de 10° a 30° de latitud hacia el ecuador y pueden causar grandes gradientes ionosféricos (cambios en la densidad a lo largo de cientos de kilómetros) en latitudes medias y bajas. Ambos factores pueden distorsionar las señales GPS.
Señales de radio de larga distancia
Las ondas de radio en la banda HF (3 a 30 MHz) (también conocida como banda de onda corta) se reflejan en la ionosfera. Dado que el suelo también refleja las ondas de alta frecuencia, se puede transmitir una señal alrededor de la curvatura de la Tierra más allá de la línea de visión. Durante el siglo XX, las comunicaciones HF eran el único método para que un barco o un avión se comunicara lejos de tierra o de una estación base. El advenimiento de sistemas como Iridium trajo otros métodos de comunicación, pero HF sigue siendo crítico para los barcos que no llevan el equipo más nuevo y como un sistema de respaldo crítico para otros. Los eventos meteorológicos espaciales pueden crear irregularidades en la ionosfera que dispersan las señales de HF en lugar de reflejarlas, impidiendo las comunicaciones de HF. En las latitudes aurorales y polares, los pequeños fenómenos meteorológicos espaciales que se producen con frecuencia interrumpen las comunicaciones en ondas decamétricas. En las latitudes medias, las comunicaciones de HF se ven interrumpidas por las ráfagas de radio solar, los rayos X de las erupciones solares (que mejoran y perturban la capa D de la ionosfera) y por las mejoras e irregularidades de TEC durante las principales tormentas geomagnéticas.
Las rutas de las aerolíneas transpolares son particularmente sensibles al clima espacial, en parte porque las Regulaciones Federales de Aviación requieren una comunicación confiable durante todo el vuelo. Se estima que desviar un vuelo de este tipo costará unos 100.000 dólares.
Humanos en la aviación comercial
La magnetosfera guía los rayos cósmicos y las partículas energéticas solares a las latitudes polares, mientras que las partículas cargadas de alta energía ingresan a la mesosfera, la estratosfera y la troposfera. Estas partículas energéticas en la parte superior de la atmósfera destrozan los átomos y las moléculas atmosféricas, creando partículas dañinas de baja energía que penetran profundamente en la atmósfera y crean una radiación medible. Todos los aviones que vuelan por encima de los 8 km (26 200 pies) de altitud están expuestos a estas partículas. La dosis de exposición es mayor en las regiones polares que en latitudes medias y regiones ecuatoriales. Muchos aviones comerciales sobrevuelan la región polar. Cuando un evento meteorológico espacial hace que la exposición a la radiación exceda el nivel seguro establecido por las autoridades de aviación, la ruta de vuelo de la aeronave se desvía.
Si bien las consecuencias para la salud más significativas, pero muy poco probables, de la exposición a la radiación atmosférica incluyen la muerte por cáncer debido a la exposición a largo plazo, también pueden ocurrir muchas formas de cáncer que degradan el estilo de vida y afectan la carrera. Un diagnóstico de cáncer puede tener un impacto significativo en la carrera de un piloto comercial. Un diagnóstico de cáncer puede dejar en tierra a un piloto de manera temporal o permanente. Se han desarrollado directrices internacionales de la Comisión Internacional de Protección Radiológica para mitigar este riesgo estadístico. La ICRP recomienda límites de dosis efectivos de un promedio de 5 años de 20 mSv por año con no más de 50 mSv en un solo año para personas no embarazadas expuestas ocupacionalmente, y 1 mSv por año para el público en general. Los límites de dosis de radiación no son límites de ingeniería. En los EE. UU., se tratan como un límite superior de aceptabilidad y no como un límite reglamentario.
Las mediciones del entorno de radiación en altitudes de aeronaves comerciales superiores a 8 km (26 000 pies) históricamente se han realizado mediante instrumentos que registran los datos a bordo, que luego se procesan en tierra. Sin embargo, se ha desarrollado un sistema de mediciones de radiación en tiempo real a bordo de aeronaves a través del programa Mediciones de radiación automatizadas para la seguridad aeroespacial (ARMAS) de la NASA. ARMAS ha realizado cientos de vuelos desde 2013, principalmente en aviones de investigación, y envió los datos a tierra a través de enlaces satelitales Iridium. El objetivo final de este tipo de mediciones es asimilar los datos en modelos de radiación global basados en la física, por ejemplo, el Nowcast of Atmospheric Ionizing Radiation System (NAIRAS) de la NASA, para proporcionar el clima del entorno de radiación en lugar de la climatología.
Campos eléctricos inducidos por tierra
La actividad de tormentas magnéticas puede inducir campos geoeléctricos en la litosfera conductora de la Tierra. Los diferenciales de voltaje correspondientes pueden llegar a las redes eléctricas a través de conexiones a tierra, provocando corrientes eléctricas descontroladas que interfieren con el funcionamiento de la red, dañan transformadores, activan relés de protección y, en ocasiones, provocan apagones. Esta complicada cadena de causas y efectos quedó demostrada durante la tormenta magnética de marzo de 1989, que provocó el colapso total de la red eléctrica de Hydro-Québec en Canadá, dejando temporalmente a nueve millones de personas sin electricidad. La posible ocurrencia de una tormenta aún más intensa condujo a estándares operativos destinados a mitigar los riesgos de peligro de inducción, mientras que las compañías de reaseguros encargaron evaluaciones de riesgo revisadas.
Exploración geofísica
Los levantamientos magnéticos aéreos y marítimos pueden verse afectados por las rápidas variaciones del campo magnético durante las tormentas geomagnéticas. Tales tormentas causan problemas de interpretación de datos porque los cambios del campo magnético relacionados con el clima espacial son similares en magnitud a los del campo magnético de la corteza subsuperficial en el área de estudio. Las advertencias geomagnéticas precisas de tormentas, incluida una evaluación de la magnitud y la duración de la tormenta, permiten un uso económico del equipo de inspección.
Geofísica y producción de hidrocarburos
Por razones económicas y de otro tipo, la producción de petróleo y gas a menudo implica la perforación horizontal de trayectorias de pozos a muchos kilómetros de una sola boca de pozo. Los requisitos de precisión son estrictos, debido al tamaño del objetivo (los yacimientos pueden tener solo unas pocas decenas a cientos de metros de diámetro) y la seguridad, debido a la proximidad de otros pozos. El método giroscópico más preciso es costoso, ya que puede detener la perforación durante horas. Una alternativa es utilizar un levantamiento magnético, que permite la medición durante la perforación (MWD). Los datos magnéticos casi en tiempo real se pueden utilizar para corregir la dirección de perforación. Los datos magnéticos y los pronósticos del clima espacial pueden ayudar a aclarar las fuentes desconocidas de errores de perforación.
Clima terrestre
La cantidad de energía que entra en la troposfera y la estratosfera a partir de los fenómenos meteorológicos espaciales es trivial en comparación con la insolación solar en las porciones visible e infrarroja del espectro electromagnético solar. Aunque se ha afirmado algún vínculo entre el ciclo de manchas solares de 11 años y el clima de la Tierra, esto nunca se ha verificado. Por ejemplo, a menudo se ha sugerido que el mínimo de Maunder, un período de 70 años casi sin manchas solares, se correlaciona con un clima más frío, pero estas correlaciones han desaparecido después de estudios más profundos. El enlace sugerido de los cambios en el flujo de rayos cósmicos causa cambios en la cantidad de formación de nubes. no sobrevivió a las pruebas científicas. Otra sugerencia es que las variaciones en el flujo de EUV influyen sutilmente en los impulsores existentes del clima e inclinan la balanza entre los eventos de El Niño/La Niña. colapsó cuando una nueva investigación mostró que esto no era posible. Como tal, no se ha demostrado un vínculo entre el clima espacial y el clima.
Además, se ha sugerido un vínculo entre las partículas cargadas de alta energía (como los SEP y los rayos cósmicos) y la formación de nubes. Esto se debe a que las partículas cargadas interactúan con la atmósfera para producir volátiles que luego se condensan, creando semillas de nubes. Este es un tema de investigación en curso en el CERN, donde los experimentos prueban el efecto de las partículas cargadas de alta energía en la atmósfera. Si se prueba, esto puede sugerir un vínculo entre el clima espacial (en forma de eventos de partículas solares) y la formación de nubes.
Observación
La observación del clima espacial se realiza tanto para investigación científica como para aplicaciones. La observación científica ha evolucionado con el estado del conocimiento, mientras que la observación relacionada con la aplicación se expandió con la capacidad de explotar dichos datos.
Basado en tierra
El clima espacial se controla a nivel del suelo al observar los cambios en el campo magnético de la Tierra durante períodos de segundos a días, al observar la superficie del Sol y al observar el ruido de radio creado en el Sol. atmósfera.
El Número de manchas solares (SSN) es el número de manchas solares en la fotosfera del Sol en luz visible en el lado del Sol visible para un observador de la Tierra. El número y el área total de las manchas solares están relacionados con el brillo del Sol en las porciones ultravioleta extrema (EUV) y de rayos X del espectro solar y con la actividad solar, como las erupciones solares y las eyecciones de masa coronal.
El flujo de radio de 10,7 cm (F10.7) es una medida de las emisiones de radiofrecuencia del Sol y se correlaciona aproximadamente con el flujo UVE solar. Dado que esta emisión de RF se obtiene fácilmente desde el suelo y el flujo EUV no, este valor se ha medido y difundido continuamente desde 1947. Las mediciones estándar mundiales las realiza el Observatorio Radioastrofísico Dominion en Penticton, BC, Canadá y se informan una vez al día. al mediodía local en unidades de flujo solar (10−22W·m−2·Hz−1). F10.7 está archivado por el Centro Nacional de Datos Geofísicos.
Los magnetómetros terrestres y los observatorios magnéticos proporcionan datos fundamentales de monitoreo del clima espacial. Las tormentas magnéticas se descubrieron por primera vez mediante mediciones terrestres de perturbaciones magnéticas ocasionales. Los datos del magnetómetro terrestre brindan conocimiento de la situación en tiempo real para el análisis posterior al evento. Los observatorios magnéticos han estado en operaciones continuas durante décadas o siglos, proporcionando datos para informar estudios de cambios a largo plazo en la climatología espacial.
El índice de tiempo de tormenta de perturbación (índice Dst) es una estimación del cambio del campo magnético en el ecuador magnético de la Tierra debido a un anillo de corriente eléctrica en la órbita geosincrónica y justo hacia la Tierra. El índice se basa en datos de cuatro observatorios magnéticos terrestres entre 21° y 33° de latitud magnética durante un período de una hora. Las estaciones más cercanas al ecuador magnético no se utilizan debido a los efectos ionosféricos. El índice Dst es compilado y archivado por el World Data Center for Geomagnetism, Kyoto.
Índice Kp/ap: 'a' es un índice creado a partir de la perturbación geomagnética en un observatorio geomagnético de latitud media (40° a 50° de latitud) durante un período de 3 horas. 'K' es la contraparte cuasilogarítmica de la 'a' índice. Kp y ap son el promedio de K y a más de 13 observatorios geomagnéticos para representar perturbaciones geomagnéticas en todo el planeta. El índice Kp/ap indica tanto tormentas geomagnéticas como subtormentas (perturbación auroral). Los datos de Kp/ap están disponibles desde 1932 en adelante.
El índice AE se compila a partir de perturbaciones geomagnéticas en 12 observatorios geomagnéticos en y cerca de las zonas aurorales y se registra en intervalos de 1 minuto. El índice AE público está disponible con un retraso de dos a tres días que limita su utilidad para aplicaciones de clima espacial. El índice AE indica la intensidad de las subtormentas geomagnéticas excepto durante una gran tormenta geomagnética cuando las zonas aurorales se expanden hacia el ecuador desde los observatorios.
Las ráfagas de ruido de radio son reportadas por Radio Solar Telescope Network a la Fuerza Aérea de los EE. UU. y a la NOAA. Las ráfagas de radio están asociadas con el plasma de las erupciones solares que interactúa con la atmósfera solar ambiental.
La fotosfera del Sol se observa continuamente en busca de actividad que pueda ser precursora de erupciones solares y CME. El proyecto Global Oscillation Network Group (GONG) monitorea tanto la superficie como el interior del Sol mediante el uso de la heliosismología, el estudio de las ondas de sonido que se propagan a través del Sol y se observan como ondas en la superficie solar. GONG puede detectar grupos de manchas solares en el otro lado del Sol. Esta capacidad se ha verificado recientemente mediante observaciones visuales de la nave espacial STEREO.
Los monitores de neutrones en tierra monitorean indirectamente los rayos cósmicos del Sol y las fuentes galácticas. Cuando los rayos cósmicos interactúan con la atmósfera, se producen interacciones atómicas que provocan que una lluvia de partículas de menor energía descienda a la atmósfera y al nivel del suelo. La presencia de rayos cósmicos en el entorno espacial cercano a la Tierra puede detectarse monitoreando neutrones de alta energía a nivel del suelo. Pequeños flujos de rayos cósmicos están presentes continuamente. El Sol produce grandes flujos durante eventos relacionados con erupciones solares energéticas.
El contenido total de electrones (TEC) es una medida de la ionosfera en una ubicación determinada. TEC es el número de electrones en una columna de un metro cuadrado desde la base de la ionosfera (alrededor de 90 km de altitud) hasta la parte superior de la ionosfera (alrededor de 1000 km de altitud). Muchas mediciones de TEC se realizan monitoreando las dos frecuencias transmitidas por la nave espacial GPS. Actualmente, GPS TEC es monitoreado y distribuido en tiempo real desde más de 360 estaciones mantenidas por agencias en muchos países.
La geoeficacia es una medida de la fuerza con la que los campos magnéticos del clima espacial, como las eyecciones de masa coronal, se acoplan con el campo magnético de la Tierra. Esto está determinado por la dirección del campo magnético contenido dentro del plasma que se origina en el Sol. Se están desarrollando nuevas técnicas que miden la rotación de Faraday en ondas de radio para medir la dirección del campo.
Basado en satélite
Una gran cantidad de naves espaciales de investigación han explorado el clima espacial. La serie del Observatorio Geofísico Orbital estuvo entre las primeras naves espaciales con la misión de analizar el entorno espacial. Las naves espaciales recientes incluyen el par de naves espaciales NASA-ESA Solar-Terrestrial Relations Observatory (STEREO) lanzadas en 2006 a la órbita solar y las sondas Van Allen, lanzadas en 2012 a una órbita terrestre altamente elíptica. Las dos naves espaciales STEREO se alejan de la Tierra unos 22° por año, una a la cabeza y la otra a la zaga de la Tierra en su órbita. Juntos recopilan información sobre la superficie solar y la atmósfera en tres dimensiones. Las sondas Van Allen registran información detallada sobre los cinturones de radiación, las tormentas geomagnéticas y la relación entre los dos.
Algunas naves espaciales con otras misiones principales han llevado instrumentos auxiliares para la observación solar. Entre las primeras naves espaciales de este tipo se encuentran la serie de satélites de tecnología de aplicaciones (ATS) en GEO, que fueron precursores del moderno satélite meteorológico Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES) y muchos satélites de comunicación. La nave espacial ATS llevaba sensores de partículas ambientales como carga útil auxiliar y tenía su sensor de campo magnético de navegación utilizado para detectar el medio ambiente.
Muchos de los primeros instrumentos fueron naves espaciales de investigación que fueron rediseñadas para aplicaciones de clima espacial. Uno de los primeros de ellos fue el IMP-8 (Plataforma de Monitoreo Interplanetario). Orbitó la Tierra en 35 radios terrestres y observó el viento solar durante dos tercios de sus órbitas de 12 días desde 1973 hasta 2006. Dado que el viento solar transporta perturbaciones que afectan la magnetosfera y la ionosfera, IMP-8 demostró la utilidad de la energía solar continua. monitoreo de viento IMP-8 fue seguido por ISEE-3, que se colocó cerca del punto L1 Sol-Tierra Lagrangiano, 235 radios terrestres sobre la superficie (alrededor de 1,5 millones de km, o 924 000 millas) y monitoreó continuamente el viento solar desde 1978 hasta 1982. La siguiente nave espacial en monitorear el viento solar en el punto L1 fue WIND de 1994 a 1998. Después de abril de 1998, la órbita de la nave espacial WIND se cambió para dar la vuelta a la Tierra y ocasionalmente pasar el punto L1. El Explorador de composición avanzada de la NASA ha monitoreado el viento solar en el punto L1 desde 1997 hasta el presente.
Además de monitorear el viento solar, monitorear el Sol es importante para el clima espacial. Debido a que el EUV solar no se puede monitorear desde la tierra, la nave espacial conjunta NASA-ESA Solar and Heliospheric Observatory (SOHO) fue lanzada y ha proporcionado imágenes de EUV solar a partir de 1995. SOHO es una fuente principal de datos solares casi en tiempo real para ambos investigación y predicción del clima espacial e inspiró la misión STEREO. La nave espacial Yohkoh en LEO observó el Sol desde 1991 hasta 2001 en la porción de rayos X del espectro solar y fue útil tanto para la investigación como para la predicción del clima espacial. Los datos de Yohkoh inspiraron el Solar X-ray Imager en GOES.
Las naves espaciales con instrumentos cuyo objetivo principal es proporcionar datos para las predicciones y aplicaciones del clima espacial incluyen la serie de naves espaciales Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES), la serie POES, la serie DMSP y la serie Meteosat. La nave espacial GOES lleva un sensor de rayos X (XRS) que mide el flujo de todo el disco solar en dos bandas (0,05 a 0,4 nm y 0,1 a 0,8 nm) desde 1974, un generador de imágenes de rayos X (SXI) desde 2004, un magnetómetro que mide las distorsiones del campo magnético terrestre debido al clima espacial, un sensor EUV de disco completo desde 2004 y sensores de partículas (EPS/HEPAD) que miden iones y electrones en el rango de energía de 50 keV a 500 MeV. Comenzando en algún momento después de 2015, la generación GOES-R de la nave espacial GOES reemplazará el SXI con una imagen solar EUV (SUVI) similar a la de SOHO y STEREO y el sensor de partículas se complementará con un componente para extender el rango de energía hasta 30 eV.
El satélite del Observatorio Climático del Espacio Profundo (DSCOVR) es un satélite de observación de la Tierra y clima espacial de la NOAA que se lanzó en febrero de 2015. Entre sus características se encuentra la advertencia anticipada de eyecciones de masa coronal.
Modelos
Los modelos de clima espacial son simulaciones del entorno del clima espacial. Los modelos utilizan conjuntos de ecuaciones matemáticas para describir procesos físicos.
Estos modelos toman un conjunto de datos limitado e intentan describir todo o parte del entorno del clima espacial o predecir cómo evoluciona el clima con el tiempo. Los primeros modelos eran heurísticos; es decir, ., no emplearon directamente la física. Estos modelos requieren menos recursos que sus descendientes más sofisticados.
Los modelos posteriores utilizan la física para dar cuenta de tantos fenómenos como sea posible. Ningún modelo puede predecir de forma fiable el entorno desde la superficie del Sol hasta el fondo de la ionosfera de la Tierra. Los modelos de clima espacial difieren de los modelos meteorológicos en que la cantidad de entrada es mucho menor.
Una parte importante de la investigación y el desarrollo de modelos de clima espacial en las últimas dos décadas se ha realizado como parte del programa Modelo ambiental geoespacial (GEM) de la Fundación Nacional de Ciencias. Los dos principales centros de modelado son el Centro de modelado del entorno espacial (CSEM) y el Centro de modelado integrado del clima espacial (CISM). El Centro de modelado coordinado por la comunidad (CCMC) en el Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA es una instalación para coordinar el desarrollo y la prueba de modelos de investigación, para mejorar y preparar modelos para su uso en la predicción y aplicación del clima espacial.
Las técnicas de modelado incluyen (a) magnetohidrodinámica, en la que el entorno se trata como un fluido, (b) partículas en la célula, en las que las interacciones no fluidas se manejan dentro de una célula y luego las células se conectan para describir el entorno, (c) primeros principios, en los que los procesos físicos están en equilibrio (o equilibrio) entre sí, (d) modelado semiestático, en los que se describe una relación estadística o empírica, o una combinación de múltiples métodos.
Desarrollo comercial del clima espacial
Durante la primera década del siglo XXI, surgió un sector comercial que se dedicaba a la meteorología espacial, al servicio de los sectores de agencias, académicos, comerciales y de consumo. Los proveedores de clima espacial suelen ser empresas más pequeñas, o pequeñas divisiones dentro de una empresa más grande, que proporcionan datos de clima espacial, modelos, productos derivados y distribución de servicios.
El sector comercial incluye investigadores científicos y de ingeniería, así como usuarios. Las actividades están dirigidas principalmente hacia los impactos del clima espacial sobre la tecnología. Estos incluyen, por ejemplo:
- Arrastre atmosférico en satélites LEO causados por insumos energéticos en la termosfera de rayos solares UV, FUV, Lyman-alpha, EUV, XUV, rayos X y gamma, así como por precipitación de partículas cargadas y calefacción Joule en latitudes altas;
- Carga superficial e interna del aumento de los flujos energéticos de partículas, lo que lleva a efectos como descargas, alteraciones de un solo evento y cierre, en satélites LEO a GEO;
- Las señales de GPS descompuestas causadas por la cintillación ionosférica que conducen a una mayor incertidumbre en los sistemas de navegación, como el sistema de aumento de la zona ancha de la aviación (WAAS);
- Pérdidas comunicaciones de radio HF, UHF y L-band debido a la scintillación de la ionosfera, erupciones solares y tormentas geomagnéticas;
- Aumento de la radiación a los tejidos humanos y aviónicos de los rayos cósmicos galácticos SEP, especialmente durante las grandes ebulliciones solares, y posiblemente los rayos gamma bremsstrahlung producidos por electrones energéticos de la banda de radiación precipitados a altitudes superiores a 8 km;
- Mayor inexactitud en la exploración y exploración de petróleo/gas que utiliza el campo magnético principal de la Tierra cuando es perturbado por tormentas geomagnéticas;
- Pérdida de transmisión de energía de las oleadas GIC en la red eléctrica y los cierres de transformadores durante grandes tormentas geomagnéticas.
Muchas de estas perturbaciones tienen como resultado impactos sociales que representan una parte importante del PIB nacional.
El concepto de incentivar el clima espacial comercial fue sugerido por primera vez por la idea de una Zona de Innovación Económica del Clima Espacial discutida por la Asociación Estadounidense de Clima Espacial Comercial (ACSWA) en 2015. El establecimiento de esta zona de innovación económica alentaría el desarrollo de una mayor actividad económica. aplicaciones para gestionar los riesgos del clima espacial y fomentaría actividades de investigación más amplias relacionadas con el clima espacial por parte de las universidades. Podría alentar la inversión empresarial estadounidense en servicios y productos meteorológicos espaciales. Promovió el apoyo a la innovación empresarial de los EE. UU. en servicios y productos meteorológicos espaciales al requerir que el gobierno de los EE. UU. compre hardware, software y productos y servicios comerciales construidos en los EE. UU. cuando no exista una capacidad gubernamental adecuada. También promovió la venta de hardware, software y productos y servicios comerciales fabricados en EE. UU. a socios internacionales. designar hardware, servicios y productos comerciales construidos en los EE. UU. como actividades de "Zona de innovación económica del clima espacial"; Finalmente, recomendó que el hardware, los servicios y los productos comerciales construidos en los EE. UU. se rastreen como contribuciones a la Zona de innovación económica del clima espacial dentro de los informes de la agencia. En 2015, el proyecto de ley HR1561 del Congreso de los EE. UU. brindó un trabajo preliminar en el que los impactos sociales y ambientales de una Zona de innovación económica del clima espacial podrían ser de gran alcance. En 2016, se introdujo la Ley de Investigación y Pronóstico del Clima Espacial (S. 2817) para aprovechar ese legado. Más tarde, en 2017-2018, el proyecto de ley HR3086 tomó estos conceptos, incluyó la amplitud del material de estudios de agencias paralelas como parte del Programa de Acción de Clima Espacial (SWAP) patrocinado por OSTP, y con el apoyo bicameral y bipartidista, el 116º Congreso (2019) es considerando la aprobación de la Ley de Coordinación del Clima Espacial (S141, 115º Congreso).
Asociación Estadounidense de Clima Espacial Comercial
El 29 de abril de 2010, la comunidad de clima espacial comercial creó la Asociación Estadounidense de Clima Espacial Comercial (ACSWA), una asociación industrial. ACSWA promueve la mitigación de riesgos del clima espacial para la infraestructura nacional, la fortaleza económica y la seguridad nacional. Busca:
- proporcionar datos y servicios meteorológicos espaciales de calidad para ayudar a mitigar los riesgos para la tecnología;
- prestar servicios de asesoramiento a los organismos gubernamentales;
- proporcionar orientación sobre la mejor división de tareas entre los proveedores comerciales y los organismos gubernamentales;
- representan los intereses de los proveedores comerciales;
- representan las capacidades comerciales en el ámbito nacional e internacional;
- desarrollar mejores prácticas.
En su sitio web http://www.acswa.us se puede encontrar un resumen de las amplias capacidades técnicas en clima espacial que están disponibles en la asociación.
Eventos notables
- El 21 de diciembre de 1806, Alexander von Humboldt observó que su brújula se había vuelto errática durante un evento auroral brillante.
- La tormenta solar de 1859 (Evento de Carrington) causó una perturbación generalizada del servicio de telégrafo.
- La Aurora del 17 de noviembre de 1882 interrumpió el servicio de telégrafo.
- La tormenta geomagnética de mayo de 1921, una de las tormentas geomagnéticas más grandes interrumpió el servicio de telégrafo y dañaron el equipo eléctrico en todo el mundo.
- La tormenta solar de agosto de 1972, se produjo un gran evento SEP. Si los astronautas hubieran estado en el espacio en ese momento, la dosis podría haber sido potencialmente mortal.
- La tormenta geomagnética de marzo de 1989 incluyó múltiples efectos meteorológicos espaciales: SEP, CME, Disminución Forbush, mejora del nivel del suelo, tormenta geomagnética, etc.
- El evento del Día de la Bastilla 2000 coincidió con aurora excepcionalmente brillante.
- 21 de abril de 2002, la sonda Nozomi Mars fue golpeada por un gran evento SEP que causó un fracaso a gran escala. La misión, que ya tenía unos 3 años de retraso, fue abandonada en diciembre de 2003.
- Las tormentas solares de Halloween de 2003, una serie de eyección de masa coronal y bengalas solares a finales de octubre y principios de noviembre de 2003 con impactos asociados
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