El clima espacial es una rama de la física y la aeronomía espaciales , 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 , ionosfera , termosfera y 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] Posteriormente, 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 fueron observados, pero no comprendidos. Durante mucho tiempo se han observado exhibiciones de luz auroral 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 a las corrientes eléctricas aéreas que fluyen en la ionosfera y la magnetosfera por Balfour Stewart en 1882, y confirmado por Arthur Schuster en 1889 a partir del análisis de datos del observatorio magnético.
En 1852, el astrónomo y general de división británico Edward Sabine demostró que la probabilidad de que se produjeran tormentas geomagnéticas en la Tierra estaba correlacionada con el número de manchas solares , demostrando una nueva interacción solar-terrestre. La tormenta solar de 1859 provocó brillantes auroras y trastornó las operaciones telegráficas mundiales . 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 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 el clima solar podría causar estática o ruido extremos. La interferencia del radar durante un gran evento solar en 1942 llevó al descubrimiento de ráfagas de radio solares, ondas de radio en un amplio rango de frecuencia creadas por una erupción solar.
En el siglo XX, el interés por la meteorología espacial se expandió a medida que los sistemas militares y comerciales pasaron a depender de sistemas afectados por la meteorología espacial. Los satélites de comunicaciones son una parte vital del comercio global. Los sistemas de satélites meteorológicos proporcionan información sobre el tiempo 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 provocar sobretensiones dañinas en las líneas de transmisión de larga distancia y exponer a los pasajeros y a la tripulación de los aviones a la radiación , [3] [4] especialmente en rutas polares.
El Año Geofísico Internacional incrementó la investigación sobre el clima espacial. Los datos terrestres obtenidos 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. [5] En 1958, el satélite Explorer I descubrió los cinturones de Van Allen , [6] regiones de partículas de radiación atrapadas por el campo magnético terrestre. En enero de 1959, el satélite soviético Luna 1 observó directamente el viento solar y midió su fuerza. En 2007-2008 se celebró un Año Heliofísico Internacional (IHY) más pequeño.
En 1969, INJUN-5 (o Explorer 40 [7] ) realizó la primera observación directa del campo eléctrico impreso en la ionosfera de altas latitudes de la Tierra por el viento solar. [8] A principios de la década de 1970, los datos de Triad demostraron que corrientes eléctricas permanentes fluían entre el óvalo auroral y la magnetosfera. [9]
El término "clima espacial" empezó a utilizarse a finales 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 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 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 . [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 mediante un plan de aplicación 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 están asociados con el clima espacial, incluidas las tormentas y subtormentas geomagnéticas , la energización de los cinturones de radiación de Van Allen , las perturbaciones ionosféricas y el centelleo de señales de radio satélite-tierra y señales de radar de largo alcance, auroras y corrientes inducidas geomagnéticamente. en la superficie de la Tierra. Las eyecciones de masa coronal también son importantes impulsores 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 impacto humano en el clima espacial, ya que pueden dañar los componentes electrónicos a bordo de las naves espaciales (por ejemplo, la falla del Galaxy 15 ) y amenazar las vidas de los astronautas . además de aumentar los riesgos de radiación para la aviación a gran altitud y latitudes elevadas.
Algunas fallas de las naves espaciales pueden atribuirse 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 adversos más comunes del clima espacial en las naves espaciales son el daño 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 evento único ). En algunos casos, la radiación destruye una sección de la electrónica ( enganche 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 sobre ella. Un estudio reciente indicó que la carga de las naves espaciales es el efecto predominante del clima espacial en las naves espaciales en órbita geosincrónica . [dieciséis]
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 la capa exterior de la atmósfera terrestre (o la termosfera y la exosfera). Finalmente, una nave espacial LEO cae fuera de órbita y se dirige 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 prolongar su vida útil, dirigir el reingreso hacia un sitio (marino) particular o encaminar el satélite para evitar colisiones con otras naves espaciales. Estas maniobras requieren información precisa sobre la órbita. Una tormenta geomagnética puede provocar un cambio de órbita en unos pocos días que, de otro modo, ocurriría en un año o más. La tormenta geomagnética añade calor a la termosfera, lo que hace que ésta se expanda y se eleve, aumentando la resistencia de las naves espaciales. La colisión de satélites de 2009 entre Iridium 33 y 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 accidente, si hubiera estado disponible una predicción de colisión creíble.
La exposición del cuerpo humano a la radiación ionizante tiene los mismos efectos nocivos ya sea que la fuente de radiación sea una máquina de rayos X médica , una planta de energía nuclear o la 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 siempre presentes cinturones de radiación 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 aceptable de exposición de por vida en condiciones normales. Durante un evento meteorológico espacial importante que incluye una explosión 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. [17] Para el transbordador espacial , tal evento 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 se altera el medio a través del cual viajan dichas ondas, 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 verse distorsionadas hasta quedar irreconocibles debido a una perturbación de la ionosfera. 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 bloqueado en la frecuencia portadora. El GPS utiliza señales a 1575,42 MHz (L1) y 1227,6 MHz (L2) que pueden verse distorsionadas por una perturbación de la ionosfera. Los fenómenos meteorológicos espaciales que corrompen 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 (FAA) de EE. UU. se utiliza como herramienta de navegación para la aviación comercial de América del Norte. Está desactivado por cada evento importante del clima espacial. Los cortes pueden variar desde minutos hasta días. Los grandes fenómenos meteorológicos espaciales pueden empujar la perturbada ionosfera polar entre 10° y 30° de latitud hacia el ecuador y pueden provocar grandes gradientes ionosféricos (cambios de densidad en distancias de cientos de kilómetros) en latitudes medias y bajas. Ambos factores pueden distorsionar las señales del GPS.
Las ondas de radio en la banda HF (3 a 30 MHz) (también conocida como banda de onda corta ) son reflejadas por la ionosfera. Dado que el suelo también refleja 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 avión alejado de la tierra o de una estación base se comunicara. La llegada de sistemas como Iridium trajo otros métodos de comunicación, pero HF sigue siendo fundamental para los buques que no llevan equipos más nuevos y como sistema de respaldo crítico para otros. Los fenómenos meteorológicos espaciales pueden crear irregularidades en la ionosfera que dispersan las señales de HF en lugar de reflejarlas, impidiendo las comunicaciones de HF. En latitudes aurorales y polares, los pequeños fenómenos meteorológicos espaciales que se producen con frecuencia interrumpen las comunicaciones en ondas decamétricas. En latitudes medias, las comunicaciones en ondas decamétricas se ven interrumpidas por ráfagas de radio solares, por rayos X procedentes de erupciones solares (que realzan y perturban la capa D ionosférica) y por aumentos e irregularidades de TEC durante grandes tormentas geomagnéticas.
Las rutas de las aerolíneas transpolares son particularmente sensibles al clima espacial, en parte porque las Regulaciones Federales de Aviación exigen una comunicación confiable durante todo el vuelo. [18] Se estima que desviar un vuelo de este tipo costará alrededor de 100.000 dólares. [19]
La magnetosfera guía los rayos cósmicos y las partículas energéticas solares hacia 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 rompen los átomos y moléculas atmosféricos, creando partículas dañinas de menor energía que penetran profundamente en la atmósfera y crean radiación mensurable. Todos los aviones que vuelan por encima de los 8 km (26.200 pies) de altitud están expuestos a estas partículas. La exposición a la dosis es mayor en las regiones polares que en las regiones de latitudes medias y ecuatoriales. Muchos aviones comerciales sobrevuelan la región polar. Cuando un fenómeno meteorológico espacial hace que la exposición a la radiación supere el nivel de seguridad 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 aviones comerciales superiores a 8 km (26.000 pies) se han realizado mediante instrumentos que registran los datos a bordo, donde luego se procesan los datos más tarde en tierra. Sin embargo, se ha desarrollado un sistema de mediciones de radiación en tiempo real a bordo de aeronaves a través del programa de Mediciones Automatizadas de Radiación para la Seguridad Aeroespacial (ARMAS) de la NASA. [21] 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.
La actividad de las 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 , generando 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 quedó demostrada durante la tormenta magnética de marzo de 1989 , [24] 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 aparición de una tormenta aún más intensa [25] dio lugar a normas operativas destinadas a mitigar los riesgos de peligro de inducción, mientras que las compañías de reaseguros encargaron evaluaciones de riesgos revisadas . [26]
Los estudios magnéticos aéreos y marítimos pueden verse afectados por las rápidas variaciones del campo magnético durante las tormentas geomagnéticas. Estas tormentas causan problemas de interpretación de datos porque los cambios en el 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. Los avisos precisos de tormentas geomagnéticas, incluida una evaluación de la magnitud y duración de las tormentas, permiten un uso económico del equipo de reconocimiento.
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 sólo unas pocas decenas o cientos de metros de diámetro) 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 levantamiento magnético, que permite realizar mediciones durante la perforación (MWD) . Se pueden utilizar datos magnéticos casi en tiempo real para corregir la dirección de perforación. [27] [28] Los datos magnéticos y los pronósticos del clima espacial pueden ayudar a aclarar fuentes desconocidas de errores de perforación.
La cantidad de energía que ingresa a la troposfera y la estratosfera procedente de 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 11 años de las manchas solares 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 entre 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, que las variaciones en el flujo ultravioleta extremo (EUV) influyen sutilmente en los factores climáticos existentes e inclinan el equilibrio entre los eventos de El Niño / La Niña [31] colapsó cuando una nueva investigación demostró que esto no era posible. Como tal, no se ha demostrado un vínculo entre el tiempo espacial y el clima.
Además, se ha sugerido un vínculo entre las 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 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]
Más recientemente, se ha informado de una conexión estadística entre la aparición de fuertes inundaciones y la llegada de corrientes de viento solar (HSS) de alta velocidad . La mayor deposición de energía auroral durante los HSS se sugiere como un mecanismo para la generación de ondas de gravedad atmosféricas (AGW) que se propagan hacia abajo. A medida que los AGW alcanzan la atmósfera más baja , pueden provocar la inestabilidad condicional en la troposfera , lo que provocaría precipitaciones excesivas. [35]
La observación del clima espacial se realiza tanto para investigación como para aplicaciones científicas. La observación científica ha evolucionado con el estado de los conocimientos, mientras que la observación relacionada con las aplicaciones se ha ampliado con la capacidad de explotar esos datos.
El clima espacial se monitorea a nivel del suelo observando 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 de la Tierra. El número y el área total de las manchas solares están relacionados con el brillo del Sol en las porciones 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 RF del Sol y está aproximadamente correlacionado con el flujo solar EUV. 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 [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 datos fundamentales de vigilancia del clima espacial los proporcionan magnetómetros y observatorios magnéticos terrestres. 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 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 geosincrónica y justo hacia 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 sobre 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 más de 13 observatorios geomagnéticos para representar perturbaciones geomagnéticas a nivel planetario. El índice Kp/ap [42] indica tanto tormentas geomagnéticas como subtormentas (perturbaciones aurorales). 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 dentro y cerca de las zonas aurorales y se registra en intervalos de 1 minuto. [41] El índice público AE está disponible con un retraso de dos a tres días, lo 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 Solares de Radio informa sobre ráfagas de ruido de radio 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 [43] en busca de actividad que pueda ser precursora de erupciones solares y CME. El proyecto Global Oscillation Network Group (GONG) [44] monitorea tanto la superficie como el interior del Sol mediante el uso de heliosismología , el estudio de ondas sonoras que se propagan a través del Sol y se observan como ondas en la superficie solar. GONG puede detectar grupos de manchas solares en la cara oculta del Sol. Esta capacidad ha sido verificada recientemente mediante observaciones visuales desde la nave espacial STEREO .
Los monitores de neutrones en tierra monitorean indirectamente los rayos cósmicos del Sol y 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 mediante el seguimiento de 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 un lugar determinado. 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 cima de la ionosfera (alrededor de 1000 km de altitud). Muchas mediciones de TEC se realizan monitoreando las dos frecuencias transmitidas por naves espaciales GPS . Actualmente, GPS TEC 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 meteorológicos espaciales, 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 en el 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. [45] [46]
Una gran cantidad de naves espaciales de investigación han explorado el clima espacial. [47] [48] [49] [50] La serie de Observatorios Geofísicos en Orbita estuvo entre las primeras naves espaciales con la misión de analizar el entorno espacial. Las naves espaciales recientes incluyen el par de naves espaciales del Observatorio de Relaciones Solar-Terrestre (STEREO) de la NASA y la ESA 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 delante y la otra detrás 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 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 la serie de Satélites de Tecnología de Aplicaciones [51] (ATS) en GEO, que fueron precursores del moderno satélite meteorológico Geoestacionario Operacional Ambiental (GOES) y de muchos satélites de comunicaciones. La nave espacial ATS llevaba sensores de partículas ambientales como carga útil auxiliar y utilizaba su sensor de campo magnético de navegación para detectar el medio ambiente.
Muchos de los primeros instrumentos eran naves espaciales de investigación que fueron reutilizadas para aplicaciones de clima espacial. Uno de los primeros fue la IMP-8 (Plataforma de Monitoreo Interplanetario). [52] 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 conlleva perturbaciones que afectan la magnetosfera y la ionosfera, IMP-8 demostró la utilidad de monitoreo continuo del viento solar. A IMP-8 le siguió ISEE-3 , que se colocó cerca del punto Lagrangiano L 1 Sol-Tierra , a 235 radios de la Tierra 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 en monitorear 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 cambió para rodear la Tierra y ocasionalmente pasar por el punto L 1 . El Explorador de Composición Avanzada de la NASA ha monitoreado el viento solar en el punto L 1 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 tierra, se lanzó la nave espacial conjunta NASA - ESA Solar and Heliospheric Observatory (SOHO) que ha proporcionado imágenes solares EUV 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 de 1991 a 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.
Las naves espaciales con instrumentos cuyo objetivo principal es proporcionar datos para predicciones y aplicaciones del clima espacial incluyen la serie de naves espaciales Geoestacionary Operational Environmental Satellite (GOES), la serie POES , la serie DMSP y la serie Meteosat . La nave espacial GOES lleva desde 1974 un sensor de rayos X (XRS) que mide el flujo de todo el disco solar en dos bandas (de 0,05 a 0,4 nm y de 0,1 a 0,8 nm), 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 naves espaciales GOES reemplazará el SXI con una imagen solar EUV (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 Deep Space Climate Observatory (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. [53]
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 meteorológico espacial o predecir cómo evoluciona el tiempo 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 explicar tantos fenómenos como sea posible. Ningún modelo puede todavía 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 se diferencian 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 Modelo Ambiental Geoespacial (GEM) de la Fundación Nacional de Ciencias . Los dos principales centros de modelización son el Centro de modelización del entorno espacial (CSEM) [54] y el Centro de modelización integrada del clima espacial (CISM). [55] El Centro de Modelado Coordinado por la Comunidad [56] (CCMC) en el Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA es una instalación para coordinar el desarrollo y 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 una célula, en la que las interacciones no fluidas se manejan dentro de una célula y luego las células se conectan para describir el entorno, (c) primero principios, en los que los procesos físicos están en equilibrio (o 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 a la meteorología espacial, prestando servicios a los sectores de agencias, académicos, comerciales y de consumo. [58] Los proveedores de meteorología 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 meteorología espacial. [ cita necesaria ]
El sector comercial incluye investigadores científicos y de ingeniería, así como usuarios. Las actividades están dirigidas principalmente a los impactos del clima espacial sobre la tecnología. Estos incluyen, por ejemplo:
Muchas de estas perturbaciones tienen como resultado impactos sociales que representan una parte significativa 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 mayor actividad económica desarrollando aplicaciones para gestionar los riesgos de la meteorología espacial y fomentaría actividades de investigación más amplias relacionadas con la meteorología espacial por parte de las universidades. Podría fomentar la inversión empresarial estadounidense en servicios y productos de meteorología espacial. Promovió el apoyo a la innovación empresarial estadounidense en servicios y productos de meteorología espacial al exigir al gobierno estadounidense la compra de hardware, software y productos y servicios asociados fabricados en Estados Unidos cuando no exista previamente una capacidad gubernamental adecuada. También promovió las ventas de hardware, software y productos y servicios asociados fabricados en Estados Unidos a socios internacionales. designar hardware, servicios y productos comerciales construidos en los EE. UU. como actividades de “Zona de innovación económica en clima espacial”; Finalmente, recomendó que el hardware, los servicios y los productos comerciales construidos en los Estados Unidos sean rastreados 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. sentó las bases para que los impactos sociales y ambientales de una Zona de Innovación Económica en Clima Espacial podrían ser de gran alcance. En 2016, se introdujo la Ley de Investigación y Predicción del Clima Espacial (S. 2817) para aprovechar ese legado. Posteriormente, en 2017-2018, el proyecto de ley HR3086 tomó estos conceptos, incluyó la amplitud de material de estudios de agencias paralelas como parte del Programa de Acción sobre el Clima Espacial (SWAP) patrocinado por OSTP, [63] y con apoyo bicameral y bipartidista el 116º Congreso ( 2019) está considerando la aprobación de la Ley de Coordinación del Clima Espacial (S141, 115º Congreso). [ cita necesaria ]
El 29 de abril de 2010, la comunidad de meteorología espacial comercial creó la Asociación Estadounidense de Meteorología Espacial Comercial (ACSWA), una asociación industrial. ACSWA promueve la mitigación del riesgo del clima espacial para la infraestructura nacional, la fortaleza económica y la seguridad nacional. Pretende: [64]
Un resumen de las amplias capacidades técnicas en clima espacial que están disponibles en la asociación se puede encontrar en su sitio web http://www.acswa.us.
El clima espacial describe las condiciones en el espacio que afectan a la Tierra y sus sistemas tecnológicos. Nuestro clima espacial es consecuencia del comportamiento del Sol, la naturaleza del campo magnético de la Tierra y nuestra ubicación en el sistema solar.
