Clima espacial

El clima espacial es una rama de la física espacial y la aeronomía , o heliofísica , que se ocupa de las condiciones variables dentro del Sistema Solar y su heliosfera . Esto incluye los efectos del viento solar , especialmente en la magnetosfera , la ionosfera , la termosfera y la exosfera de la Tierra . ^[1] Aunque físicamente distinto, el clima espacial es análogo al 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 se popularizó en la década de 1990. ^[2] Más tarde, impulsó la investigación sobre el " clima espacial ", los patrones a gran escala y a largo plazo del clima espacial.

Durante muchos siglos, los efectos del clima espacial se han observado, pero no se han comprendido. Hace tiempo que se observan auroras en latitudes altas.

En 1724, George Graham informó que la aguja de una brújula magnética se desviaba regularmente del norte magnético a lo largo de cada día. Este efecto fue finalmente atribuido por Balfour Stewart en 1882 a corrientes eléctricas aéreas que fluían en la ionosfera y la magnetosfera, y confirmado por Arthur Schuster en 1889 a partir del análisis de datos de observatorios magnéticos.

En 1852, el astrónomo y general británico Edward Sabine demostró que la probabilidad de ocurrencia de tormentas geomagnéticas en la Tierra estaba correlacionada con el número de manchas solares , demostrando una novedosa interacción solar-terrestre. La tormenta solar de 1859 provocó brillantes auroras y perturbó las operaciones telegráficas globales . Richard Carrington relacionó correctamente la tormenta con una llamarada solar que había observado el día anterior cerca de un gran grupo de manchas solares, demostrando que eventos solares específicos podían afectar a la Tierra.

Kristian Birkeland explicó la física de las auroras creando unas artificiales en su laboratorio y predijo el viento solar.

La introducción de la radio reveló que el clima solar podía causar estática o ruido extremos. La interferencia del radar durante un gran evento solar en 1942 condujo al descubrimiento de las ráfagas de radio solares, ondas de radio en un amplio rango de frecuencia creadas por una llamarada solar.

En el siglo XX, el interés por el clima espacial se expandió a medida que los sistemas militares y comerciales pasaron a depender de 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 viajes en avión a la radiación , ^{[3] [4]} especialmente en las rutas polares.

El Año Geofísico Internacional aumentó la investigación sobre el clima espacial. Los datos terrestres obtenidos durante el AGI demostraron que las auroras se producían 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. ^[5] En 1958, el satélite Explorer I descubrió los cinturones de Van Allen , ^[6] regiones de partículas de radiación atrapadas por el campo magnético de la Tierra. En enero de 1959, el satélite soviético Luna 1 observó por primera vez directamente el viento solar y midió su fuerza. Un Año Heliofísico Internacional (IHY) más pequeño tuvo lugar en 2007-2008.

En 1969, INJUN-5 (o Explorer 40 ^[7] ) realizó la primera observación directa del campo eléctrico impreso en la ionosfera de alta latitud de la Tierra por el viento solar. ^[8] A principios de la década de 1970, los datos de Triad demostraron que fluían corrientes eléctricas permanentes entre el óvalo auroral y la magnetosfera. ^[9]

El término "clima espacial" comenzó a usarse a fines de la década de 1950, cuando comenzó la era espacial y los satélites comenzaron a medir el entorno espacial . ^[2] 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. ^[10]

El objetivo del Programa Nacional de Meteorología Espacial de los Estados Unidos es centrar la investigación en las necesidades de las comunidades comerciales y militares afectadas, conectar las comunidades de investigación y de usuarios, crear coordinación entre los centros de datos operativos y definir mejor las necesidades de la comunidad de usuarios. La NOAA opera el Centro de Predicción del Clima Espacial del Servicio Meteorológico Nacional . ^[11]

El concepto se convirtió en un plan de acción en 2000, ^[12] un plan de implementación en 2002, una evaluación en 2006 ^[13] y un plan estratégico revisado en 2010. ^[14] Se programó la publicación de un plan de acción revisado en 2011, seguido de un plan de implementación revisado en 2012.

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 está asociada con el clima espacial, incluidas las tormentas geomagnéticas y subtormentas , la energización de los cinturones de radiación de Van Allen , las perturbaciones ionosféricas y la centelleación 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 impulsor crítico del clima espacial de impacto humano, ya que pueden dañar la electrónica a bordo de las naves espaciales (por ejemplo, la falla del Galaxy 15 ) y amenazar las vidas de los astronautas , así como aumentar los peligros de radiación para la aviación de gran altitud y gran latitud.

Algunas fallas de las naves espaciales pueden atribuirse directamente al clima espacial; se cree que muchas 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 adversos más comunes del clima espacial en las naves espaciales son el daño por radiación y la carga de la nave espacial .

La radiación (partículas de alta energía) atraviesa la superficie 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 los componentes electrónicos de la nave espacial ( alteraciones de un solo evento ). En algunos casos, la radiación destruye una sección de los componentes electrónicos ( bloqueo de un solo evento ).

La carga de las naves espaciales es la acumulación de una carga electrostática en un material no conductor de la superficie de la nave espacial por partículas de baja energía. Si se acumula suficiente carga, se produce una descarga (chispa). Esto puede provocar 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 predominante del clima espacial en las naves espaciales en órbita geoestacionaria . ^[16]

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 , la fricción) y la capa exterior de la atmósfera de la Tierra (o la termosfera y la exosfera). Finalmente, 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 dirigir el satélite para evitar la colisión con otras naves espaciales. Tales maniobras requieren información precisa sobre la órbita. Una tormenta geomagnética puede causar un cambio de órbita en unos pocos días que de lo contrario ocurriría en un año o más. La tormenta geomagnética agrega calor a la termosfera, lo que hace que la termosfera se expanda y se eleve, aumentando la resistencia sobre la nave espacial. 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 para salir del camino de Cosmos 2251 y podría haber evadido el choque, si hubiera habido una predicción de colisión creíble.

La exposición de un cuerpo humano a la radiación ionizante tiene los mismos efectos nocivos ya sea que la fuente de la radiación sea una máquina de rayos X médica , 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 energética 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 está dentro del límite de exposición de por vida aceptable en condiciones normales. Durante un evento meteorológico espacial importante que incluya una ráfaga de SEP, el flujo puede aumentar en órdenes de magnitud. Las áreas dentro de la ISS proporcionan un blindaje que puede mantener la dosis total dentro de límites seguros. ^[17] Para el Transbordador Espacial , un evento de este tipo habría requerido la terminación inmediata de la misión.

La ionosfera desvía las ondas de radio de la misma manera que el agua de una piscina desvía la luz visible. Cuando el medio por el que viajan dichas ondas se altera, la imagen luminosa 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 alterada. Las señales de radio en la banda UHF (300 MHz a 3 GHz) transitan por una ionosfera alterada, pero un receptor puede no ser capaz de mantenerse sincronizado con la frecuencia portadora. El GPS utiliza señales a 1575,42 MHz (L1) y 1227,6 MHz (L2) que pueden distorsionarse por una ionosfera alterada. Los fenómenos meteorológicos espaciales que alteran las señales del GPS pueden afectar significativamente a la sociedad. Por ejemplo, el Sistema de Aumento de Área Amplia operado por la Administración Federal de Aviación de los Estados Unidos (FAA) se utiliza como herramienta de navegación para la aviación comercial norteamericana. Se desactiva con cada evento meteorológico espacial importante. Las interrupciones pueden durar desde minutos hasta días. Los eventos meteorológicos espaciales importantes 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 una distancia de cientos de kilómetros) en latitudes medias y bajas. Ambos factores pueden distorsionar las señales GPS.

Las ondas de radio en la banda de alta frecuencia (3 a 30 MHz) (también conocida como banda de onda corta ) son reflejadas por la ionosfera. Dado que el suelo también refleja las ondas de alta frecuencia, una señal puede transmitirse alrededor de la curvatura de la Tierra más allá de la línea de visión. Durante el siglo XX, las comunicaciones de alta frecuencia eran el único método para que un barco o una aeronave que estuviera lejos de la tierra o de una estación base se comunicara. La llegada de sistemas como Iridium trajo consigo otros métodos de comunicación, pero la alta frecuencia sigue siendo fundamental para los barcos que no llevan el equipo más nuevo y como sistema de respaldo fundamental para otros. Los fenómenos meteorológicos espaciales pueden crear irregularidades en la ionosfera que dispersan las señales de alta frecuencia en lugar de reflejarlas, lo que impide las comunicaciones de alta frecuencia. En las latitudes aurorales y polares, los pequeños fenómenos meteorológicos espaciales que ocurren con frecuencia interrumpen las comunicaciones de alta frecuencia. En latitudes medias, las comunicaciones HF se ven interrumpidas por ráfagas de radio solares, por rayos X de las erupciones solares (que potencian y perturban la capa D de la ionosfera) y por mejoras e irregularidades del TEC durante grandes tormentas geomagnéticas.

Las rutas aéreas transpolares son particularmente sensibles al clima espacial, en parte porque las Regulaciones Federales de Aviación exigen una comunicación fiable durante todo el vuelo. ^[18] Se estima que desviar un vuelo de este tipo cuesta unos 100.000 dólares. ^[19]

La magnetosfera guía los rayos cósmicos y las partículas energéticas solares hacia 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 menor energía que penetran profundamente en la atmósfera y generan una radiación medible. Todas las aeronaves que vuelan por encima de los 8 km (26.200 pies) de altitud están expuestas a estas partículas. La dosis de exposición es mayor en las regiones polares que en las regiones de latitudes medias y ecuatoriales. Muchos aviones comerciales vuelan sobre la región polar. Cuando un evento meteorológico espacial hace que la exposición a la radiación supere el nivel seguro establecido por las autoridades de aviación, ^[20] la trayectoria de vuelo de la aeronave se desvía.

Históricamente, las mediciones del entorno de radiación en altitudes de aeronaves comerciales superiores a los 8 km (26 000 pies) se han realizado con 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 ARMAS (Automated Radiation Measurements for Aerospace Safety) de la NASA. ^[21] ARMAS ha realizado cientos de vuelos desde 2013, principalmente en aeronaves de investigación, y ha enviado 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, de modo de proporcionar el clima del entorno de radiación en lugar de la climatología.

La actividad de tormentas magnéticas puede inducir campos geoeléctricos en la litosfera conductora de la Tierra . ^[22] Los diferenciales de voltaje correspondientes pueden llegar a las redes eléctricas a través de conexiones a tierra , lo que genera corrientes eléctricas incontroladas que interfieren con el funcionamiento de la red, dañan los transformadores, disparan los relés de protección y, a veces, causan apagones. ^[23] Esta complicada cadena de causas y efectos se demostró durante la tormenta magnética de marzo de 1989 , ^[24] que causó el colapso total de la red eléctrica Hydro-Québec en Canadá, dejando temporalmente a nueve millones de personas sin electricidad. La posible ocurrencia de una tormenta aún más intensa ^[25] condujo a normas operativas destinadas a mitigar los riesgos de peligro de inducción, mientras que las compañías de reaseguros encargaron evaluaciones de riesgo revisadas . ^[26]

Los estudios magnéticos realizados desde el aire o desde barcos pueden verse afectados por las rápidas variaciones del campo magnético durante las tormentas geomagnéticas. Estas tormentas causan problemas de interpretación de los datos porque los cambios del campo magnético relacionados con el clima espacial son de magnitud similar a los del campo magnético de la corteza subsuperficial en el área de estudio. Las alertas precisas de tormentas geomagnéticas, que incluyen una evaluación de la magnitud y la duración de las tormentas, permiten un uso económico del equipo de estudio.

Por razones económicas y de otro tipo, la producción de petróleo y gas a menudo implica la perforación horizontal de pozos a muchos kilómetros de una única 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 ancho) y la seguridad, debido a la proximidad de otros pozos. El método giroscópico más preciso es caro, ya que puede detener la perforación durante horas. Una alternativa es utilizar un estudio magnético, que permite la medición durante la perforación (MWD) . Los datos magnéticos casi en tiempo real se pueden utilizar para corregir la dirección de la perforación. ^{[27] [28]} Los datos magnéticos y las previsiones meteorológicas espaciales pueden ayudar a aclarar las fuentes desconocidas de error de perforación.

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 que existe algún vínculo entre el ciclo de manchas solares de 11 años y el clima de la Tierra , ^[29] esto nunca se ha verificado. Por ejemplo, a menudo se ha sugerido que el mínimo de Maunder , un período de 70 años casi desprovisto de manchas solares, está correlacionado con un clima más frío, pero estas correlaciones han desaparecido después de estudios más profundos. El vínculo sugerido de los cambios en el flujo de rayos cósmicos que causan cambios en la cantidad de formación de nubes ^[30] no sobrevivió a las pruebas científicas. Otra sugerencia, de que las variaciones en el flujo ultravioleta extremo (EUV) influyen sutilmente en los impulsores existentes del clima e inclinan la balanza entre los eventos de El Niño / La Niña ^[31] se derrumbó 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 partículas cargadas de alta energía (como las 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 . ^[32] 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. ^[33] Si se demuestra, esto puede sugerir un vínculo entre el clima espacial (en forma de eventos de partículas solares ) y la formación de nubes. ^[34]

Recientemente, se ha informado de una conexión estadística entre la ocurrencia de fuertes inundaciones y la llegada de corrientes de viento solar de alta velocidad (HSS). Se sugiere que la mayor deposición de energía auroral durante las HSS es un mecanismo para la generación de ondas de gravedad atmosféricas (AGW) que se propagan hacia abajo. A medida que las AGW alcanzan la atmósfera inferior , pueden excitar la inestabilidad condicional en la troposfera , lo que conduce a una lluvia excesiva. ^[35]

La observación del clima espacial se realiza tanto con fines de investigación científica como de aplicación. La observación científica ha evolucionado con el estado del conocimiento, mientras que la observación relacionada con las aplicaciones se ha ampliado con la capacidad de explotar dichos datos.

El clima espacial se monitorea a nivel del suelo observando los cambios en el campo magnético de la Tierra durante períodos de segundos a días, observando la superficie del Sol y observando el ruido de radio creado en la atmósfera del Sol.

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 terrestre. El número y el área total de manchas solares están relacionados con el brillo del Sol en las porciones de rayos X y EUV 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 RF del Sol y está aproximadamente correlacionada con el flujo EUV 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 Dominion Radio Astrophysical Observatory en Penticton, BC, Canadá y se informan una vez al día al mediodía local ^[36] en unidades de flujo solar (10 ⁻²² W·m ⁻² ·Hz ⁻¹ ). F10,7 está archivado por el Centro Nacional de Datos Geofísicos. ^[37]

Los magnetómetros y observatorios magnéticos terrestres proporcionan datos fundamentales para la vigilancia del clima espacial. Las tormentas magnéticas se descubrieron por primera vez mediante mediciones terrestres de perturbaciones magnéticas ocasionales. Los datos de los magnetómetros terrestres proporcionan conocimiento de la situación en tiempo real para el análisis posterior a los eventos. Los observatorios magnéticos han estado en funcionamiento continuo durante décadas o siglos, proporcionando datos para informar los estudios de cambios a largo plazo en la climatología espacial. ^{[38] [39]}

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 geoestacionaria y justo en dirección a la Tierra . ^[40] 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 Centro Mundial de Datos para Geomagnetismo, Kioto. ^[41]

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 del índice 'a'. Kp y ap son el promedio de K y un total de 13 observatorios geomagnéticos para representar las perturbaciones geomagnéticas a nivel planetario. El índice Kp/ap ^[42] 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 las zonas aurorales y cerca de ellas y se registra a intervalos de 1 minuto. ^[41] El índice AE público está disponible con un desfase 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 tormenta geomagnética importante cuando las zonas aurorales se expanden hacia el ecuador desde los observatorios.

La Red de Telescopios Radiosolares informa a la Fuerza Aérea de los Estados Unidos y a la NOAA sobre las ráfagas de ruido de radio. 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 ^[43] en busca de actividad que pueda ser precursora de erupciones solares y eyecciones de masa coronal. El proyecto Global Oscillation Network Group (GONG) ^[44] monitorea tanto la superficie como el interior del Sol mediante el uso de la heliosismología , el estudio de las ondas sonoras que se propagan a través del Sol y que se observan como ondulaciones en la superficie solar. GONG puede detectar grupos de manchas solares en el lado lejano del Sol. Esta capacidad ha sido verificada recientemente mediante observaciones visuales desde la nave espacial STEREO .

Los monitores de neutrones en la Tierra monitorean indirectamente los rayos cósmicos provenientes del Sol y de 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 se puede detectar mediante el monitoreo de neutrones de alta energía a nivel del suelo. Los pequeños flujos de rayos cósmicos están presentes continuamente. Los grandes flujos son producidos por el Sol durante eventos relacionados con erupciones solares energéticas.

El contenido total de electrones (TEC) es una medida de la ionosfera en una ubicación determinada. El TEC es el número de electrones en una columna de un metro cuadrado desde la base de la ionosfera (a unos 90 km de altitud) hasta la parte superior de la ionosfera (a unos 1000 km de altitud). Muchas mediciones del TEC se realizan mediante el monitoreo de las dos frecuencias transmitidas por las naves espaciales GPS . En la actualidad, el TEC GPS se monitorea y distribuye en tiempo real desde más de 360 ​​estaciones mantenidas por agencias en muchos países.

La geoefectividad es una medida de la fuerza con la que los campos magnéticos del clima espacial, como las eyecciones de masa coronal, se acoplan al campo magnético de la Tierra. Esto está determinado por la dirección del campo magnético contenido en el plasma que se origina en el Sol. Se están desarrollando nuevas técnicas para medir la rotación de Faraday en ondas de radio con el fin de medir la dirección del campo. ^{[45] [46]}

Una gran cantidad de naves espaciales de investigación han explorado el clima espacial. ^{[47] [48] [49] [50]} La serie Orbiting Geophysical Observatory estuvo entre las primeras naves espaciales con la misión de analizar el entorno espacial. Las naves espaciales recientes incluyen el Observatorio de Relaciones Solar-Terrestres (STEREO) de la NASA-ESA lanzado 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 por delante y la otra por detrás de la Tierra en su órbita. Juntas 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 ambos.

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 los satélites de tecnología de aplicaciones ^[51] (ATS) de la GEO, precursores del satélite meteorológico moderno GOES (Geostationary Operational Environmental Satellite ) y de muchos satélites de comunicaciones. Las naves espaciales ATS llevaban sensores de partículas ambientales como cargas útiles auxiliares y su sensor de campo magnético de navegación se utilizaba para detectar el medio ambiente.

Muchos de los primeros instrumentos eran naves espaciales de investigación que se reutilizaron para aplicaciones meteorológicas espaciales. Una de las primeras fue la IMP-8 (Plataforma de Monitoreo Interplanetario). ^[52] Orbitó alrededor de la Tierra a 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 a la magnetosfera y la ionosfera, la IMP-8 demostró la utilidad del monitoreo continuo del viento solar. A la IMP-8 le siguió la ISEE-3 , que se colocó cerca del punto de Lagrange L ₁ Sol-Tierra , a 235 radios terrestres sobre la superficie (aproximadamente 1,5 millones de kilómetros o 924.000 millas) y monitoreó continuamente el viento solar desde 1978 hasta 1982. La siguiente nave espacial que monitoreó el viento solar en el punto L ₁ fue WIND de 1994 a 1998. Después de abril de 1998, la órbita de la nave espacial WIND se modificó para rodear la Tierra y ocasionalmente pasar por el punto L _1. El Explorador de Composición Avanzada de la NASA ha monitorizado el viento solar en el punto L ₁ desde 1997 hasta la actualidad.

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, se lanzó la nave espacial conjunta NASA - ESA Solar and Heliospheric Observatory (SOHO) y ha proporcionado imágenes EUV solares desde 1995. SOHO es una fuente principal de datos solares casi en tiempo real tanto para la investigación como para la 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 generador de imágenes de rayos X solares en GOES.

Entre las naves espaciales con instrumentos cuyo propósito principal es proporcionar datos para las predicciones y aplicaciones del clima espacial se incluyen la serie de satélites ambientales operacionales geoestacionarios (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 de la Tierra 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. A partir de algún momento después de 2015, la generación GOES-R de la nave espacial GOES reemplazará el SXI con una imagen EUV solar (SUVI) similar a la de SOHO y STEREO y el sensor de partículas se aumentará con un componente para extender el rango de energía hasta 30 eV.

El satélite Observatorio del Clima del Espacio Profundo (DSCOVR) es un satélite de observación de la Tierra y del 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. ^[53]

Los modelos meteorológicos espaciales son simulaciones del entorno meteorológico espacial. Los modelos utilizan conjuntos de ecuaciones matemáticas para describir los procesos físicos.

Estos modelos toman un conjunto limitado de datos e intentan describir todo o parte del entorno meteorológico espacial o predecir cómo evoluciona el clima a lo largo del tiempo. Los primeros modelos eran heurísticos, es decir , no empleaban directamente la física. Estos modelos requieren menos recursos que sus descendientes más sofisticados.

Los modelos posteriores utilizan la física para tener en cuenta tantos fenómenos como sea posible. Ningún modelo puede predecir de manera fiable el entorno desde la superficie del Sol hasta el fondo de la ionosfera de la Tierra. Los modelos meteorológicos espaciales difieren de los modelos meteorológicos en que la cantidad de información es mucho menor.

Una parte importante de la investigación y el desarrollo de modelos meteorológicos espaciales en las últimas dos décadas se ha realizado como parte del programa Geospace Environmental Model (GEM) de la National Science Foundation . Los dos principales centros de modelado son el Center for Space Environment Modeling (CSEM) ^[54] y el Center for Integrated Space Weather Modeling (CISM). ^[55] El Community Coordinated Modeling Center ^[56] (CCMC) en el Centro de Vuelos Espaciales 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. ^[57]

Las técnicas de modelado incluyen (a) magnetohidrodinámica , en la que el entorno se trata como un fluido, (b) partícula en célula, en la que se manejan interacciones no fluidas 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 entre sí, (d) modelado semiestático, en el que se describe una relación estadística o empírica, o una combinación de múltiples métodos.

Durante la primera década del siglo XXI, surgió un sector comercial que se dedicaba al clima espacial y prestaba servicios a agencias, académicos, sectores comerciales y de consumo. ^[58] Los proveedores de clima espacial suelen ser empresas más pequeñas, o pequeñas divisiones dentro de una empresa más grande, que proporcionan datos, modelos, productos derivados y distribución de servicios de clima espacial. ^{[ cita requerida ]}

El sector comercial incluye a investigadores científicos y de ingeniería, así como a usuarios. Las actividades se dirigen principalmente a los impactos del clima espacial sobre la tecnología. Entre ellas se incluyen, por ejemplo:

• Arrastre atmosférico sobre los satélites LEO causado por las entradas de energía a la termosfera provenientes de los fotones solares UV, FUV, Lyman-alfa , EUV , XUV , rayos X y rayos gamma , así como por la precipitación de partículas cargadas y el calentamiento Joule en latitudes altas; ^{[ cita requerida ]}
• Carga superficial e interna a partir de mayores flujos de partículas energéticas, que conducen a efectos tales como descargas, perturbaciones de eventos únicos y bloqueos en satélites LEO a GEO; ^{[ cita requerida ]}
• Las señales GPS interrumpidas causadas por la centelleo ionosférica provocan una mayor incertidumbre en los sistemas de navegación, como el Sistema de Aumento de Área Amplia (WAAS) de la aviación; ^{[ cita requerida ]}
• Pérdida de comunicaciones por radio en las bandas HF, UHF y L debido a la centelleo de la ionosfera, erupciones solares y tormentas geomagnéticas;
• Aumento de la radiación a los tejidos humanos y a la aviónica proveniente de los rayos cósmicos galácticos SEP, especialmente durante grandes erupciones solares, y posiblemente de los rayos gamma de bremsstrahlung producidos por la precipitación de electrones energéticos del cinturón de radiación a altitudes superiores a los 8 km; ^{[59] [60]}
• Mayor inexactitud en las prospecciones y exploraciones de petróleo y gas que utilizan el campo magnético principal de la Tierra cuando éste se ve perturbado por tormentas geomagnéticas;
• Pérdida de transmisión de energía debido a sobretensiones GIC en la red eléctrica y paradas de transformadores durante grandes tormentas geomagnéticas.

Muchas de estas perturbaciones tienen consecuencias sociales que representan una parte importante del PIB nacional. ^{[61] [62]}

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 una actividad económica expandida que desarrolle aplicaciones para gestionar los riesgos del clima espacial y alentaría 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 del clima espacial. Promovió el apoyo a la innovación empresarial estadounidense en servicios y productos del clima espacial al exigir que el gobierno estadounidense compre hardware, software y productos y servicios asociados comerciales construidos en Estados Unidos donde no exista una capacidad gubernamental adecuada preexistente. También promovió las ventas de hardware, software y productos y servicios asociados comerciales construidos en Estados Unidos a socios internacionales. designar hardware, servicios y productos comerciales construidos en Estados Unidos como actividades de "Zona de Innovación Económica del Clima Espacial"; Por último, recomendó que el hardware, los servicios y los productos comerciales construidos en Estados Unidos se rastrearan como contribuciones de 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 Estados Unidos proporcionó la base para que los impactos sociales y ambientales de una Zona de Innovación Económica del Clima Espacial pudieran 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 los estudios paralelos de agencias como parte del Programa de acción sobre el clima espacial (SWAP) patrocinado por la OSTP, ^[63] y, con apoyo bicameral y bipartidista, el 116.º Congreso (2019) está considerando la aprobación de la Ley de coordinación del clima espacial (S141, 115.º Congreso). ^{[ cita requerida ]}

El 29 de abril de 2010, la comunidad de meteorología espacial comercial creó la Asociación Estadounidense de Meteorología Espacial Comercial (ACSWA), una asociación industrial. La ACSWA promueve la mitigación de los riesgos del clima espacial para la infraestructura nacional, la fortaleza económica y la seguridad nacional. Su objetivo es: ^[64]

• proporcionar datos y servicios meteorológicos espaciales de calidad para ayudar a mitigar los riesgos para la tecnología;
• Proporcionar servicios de asesoramiento a agencias gubernamentales;
• Proporcionar orientación sobre la mejor división de tareas entre los proveedores comerciales y las agencias gubernamentales;
• representar los intereses de los proveedores comerciales;
• representar capacidades comerciales en el ámbito nacional e internacional;
• Desarrollar mejores prácticas.

Un resumen de las amplias capacidades técnicas en clima espacial disponibles en la asociación se puede encontrar en su sitio web http://www.acswa.us.

• El 21 de diciembre de 1806, Alexander von Humboldt observó que su brújula se había vuelto errática durante un brillante evento auroral. ^[65]
• La tormenta solar de 1859 (Evento Carrington) provocó una interrupción generalizada del servicio telegráfico.
• La aurora del 17 de noviembre de 1882 interrumpió el servicio telegráfico.
• La tormenta geomagnética de mayo de 1921 , ^[66] una de las mayores tormentas geomagnéticas, interrumpió el servicio telegráfico y dañó equipos eléctricos en todo el mundo.
• La tormenta solar de agosto de 1972 fue un gran fenómeno de tormentas solares. Si los astronautas hubieran estado en el espacio en ese momento, la dosis podría haber sido mortal. ^[67]
• La tormenta geomagnética de marzo de 1989 incluyó múltiples efectos del clima espacial: SEP, CME, disminución de Forbush, aumento del nivel del suelo, tormenta geomagnética, etc.
• El Día de la Bastilla del año 2000 coincidió con una aurora excepcionalmente brillante.
• El 21 de abril de 2002, la sonda Nozomi Mars Probe sufrió un gran impacto de SEP que provocó un fallo a gran escala. La misión, que ya llevaba un retraso de unos tres años, se abandonó en diciembre de 2003. ^[68]
• Las tormentas solares de Halloween de 2003 , una serie de eyecciones de masa coronal y erupciones solares a finales de octubre y principios de noviembre de 2003, con impactos asociados.

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