Una tormenta geomagnética , también conocida como tormenta magnética , es una perturbación temporal de la magnetosfera de la Tierra causada por una onda de choque del viento solar .
La perturbación que impulsa la tormenta magnética puede ser una eyección de masa coronal solar (CME) o (mucho menos severamente) una región de interacción co-rotativa (CIR), una corriente de viento solar de alta velocidad que se origina en un agujero coronal . [1] La frecuencia de las tormentas geomagnéticas aumenta y disminuye con el ciclo de las manchas solares . Durante el máximo solar , las tormentas geomagnéticas ocurren con más frecuencia, y la mayoría son impulsadas por CME.
El aumento de la presión del viento solar comprime inicialmente la magnetosfera. El campo magnético del viento solar interactúa con el campo magnético de la Tierra y transfiere una mayor energía a la magnetosfera. Ambas interacciones provocan un aumento en el movimiento del plasma a través de la magnetosfera (impulsado por mayores campos eléctricos dentro de la magnetosfera) y un aumento de la corriente eléctrica en la magnetosfera y la ionosfera . Durante la fase principal de una tormenta geomagnética, la corriente eléctrica en la magnetosfera crea una fuerza magnética que empuja el límite entre la magnetosfera y el viento solar.
Varios fenómenos meteorológicos espaciales tienden a estar asociados o son causados por una tormenta geomagnética. Estos incluyen eventos de partículas energéticas solares (SEP), corrientes geomagnéticamente inducidas (GIC), tormentas ionosféricas y sus perturbaciones que causan centelleo de radio y radar , interrupción de la navegación mediante brújula magnética y visualizaciones de auroras en latitudes mucho más bajas de lo normal.
La tormenta geomagnética más grande registrada, el evento Carrington en septiembre de 1859, destruyó partes de la red telegráfica estadounidense recientemente creada, provocando incendios y descargas eléctricas a los operadores de telégrafos. [2] En 1989, una tormenta geomagnética energizó corrientes inducidas en el suelo que interrumpieron la distribución de energía eléctrica en la mayor parte de Quebec [3] y provocaron auroras hasta el sur de Texas . [4] El evento Carrington fue leve en comparación con tormentas geomagnéticas extremas muy raras llamadas eventos Miyake , que causan picos de carbono-14 radiactivo en los anillos de los árboles.
Una tormenta geomagnética se define [5] por cambios en el índice Dst [6] (perturbación – tiempo de tormenta). El índice Dst estima el cambio promedio global del componente horizontal del campo magnético de la Tierra en el ecuador magnético basándose en mediciones de algunas estaciones magnetométricas. El horario de verano se calcula una vez por hora y se informa casi en tiempo real. [7] Durante los momentos de tranquilidad, Dst está entre +20 y −20 nano- Tesla (nT). [ cita necesaria ]
Una tormenta geomagnética tiene tres fases: inicial, principal y de recuperación. La fase inicial se caracteriza por que Dst (o su componente de un minuto SYM-H) aumenta de 20 a 50 nT en decenas de minutos. La fase inicial también se conoce como comienzo repentino de tormenta (SSC). Sin embargo, no todas las tormentas geomagnéticas tienen una fase inicial y no todos los aumentos repentinos de Dst o SYM-H van seguidos de una tormenta geomagnética. La fase principal de una tormenta geomagnética se define cuando Dst disminuye a menos de −50 nT. La selección de −50 nT para definir una tormenta es algo arbitraria. El valor mínimo durante una tormenta estará entre −50 y aproximadamente −600 nT. La duración de la fase principal suele ser de 2 a 8 horas. La fase de recuperación es cuando Dst cambia de su valor mínimo a su valor de tiempo de silencio. La fase de recuperación puede durar tan solo 8 horas o hasta 7 días. [5]
El tamaño de una tormenta geomagnética se clasifica en moderada (−50 nT > mínimo de Dst > −100 nT), intensa (−100 nT > mínimo Dst > −250 nT) o súper tormenta (mínimo de Dst < −250 nT) . [8]
La intensidad de las tormentas geomagnéticas se informa de varias maneras diferentes, entre ellas:
En 1931, Sydney Chapman y Vincenzo CA Ferraro escribieron un artículo, Una nueva teoría de las tormentas magnéticas , que buscaba explicar el fenómeno. [10] Argumentaron que cada vez que el Sol emite una llamarada solar, también emite una nube de plasma, ahora conocida como eyección de masa coronal . Postularon que este plasma viaja a una velocidad tal que llega a la Tierra en 113 días, aunque ahora sabemos que este viaje dura de 1 a 5 días. Escribieron que la nube comprime el campo magnético de la Tierra y, por lo tanto, aumenta este campo en la superficie de la Tierra. [11] El trabajo de Chapman y Ferraro se basó en el de, entre otros, Kristian Birkeland , quien había utilizado tubos de rayos catódicos recientemente descubiertos para demostrar que los rayos se desviaban hacia los polos de una esfera magnética. Teorizó que un fenómeno similar era el responsable de las auroras , explicando por qué son más frecuentes en las regiones polares.
La primera observación científica de los efectos de una tormenta geomagnética se produjo a principios del siglo XIX: desde mayo de 1806 hasta junio de 1807, Alexander von Humboldt registró la orientación de una brújula magnética en Berlín. El 21 de diciembre de 1806, notó que su brújula se había vuelto errática durante un evento de aurora brillante . [12]
Del 1 al 2 de septiembre de 1859 se produjo la tormenta geomagnética más grande registrada. Desde el 28 de agosto hasta el 2 de septiembre de 1859, se observaron numerosas manchas solares y erupciones solares en el Sol, siendo la mayor erupción el 1 de septiembre. Esto se conoce como la tormenta solar de 1859 o el evento Carrington . Se puede suponer que una eyección masiva de masa coronal (CME) fue lanzada desde el Sol y llegó a la Tierra en dieciocho horas, un viaje que normalmente dura de tres a cuatro días. El campo horizontal se redujo en 1600 nT según registró el Observatorio Colaba . Se estima que Dst habría sido aproximadamente −1760 nT. [13] Los cables telegráficos tanto en Estados Unidos como en Europa experimentaron aumentos de voltaje inducidos ( fem ), que en algunos casos incluso provocaron descargas eléctricas a los operadores de telégrafos y provocaron incendios. Se observaron auroras en lugares tan al sur como Hawái, México, Cuba e Italia, fenómenos que normalmente sólo son visibles en las regiones polares. Los núcleos de hielo muestran evidencia de que eventos de intensidad similar se repiten a un ritmo promedio de aproximadamente una vez cada 500 años.
Desde 1859, se han producido tormentas menos severas, en particular la aurora del 17 de noviembre de 1882 y la tormenta geomagnética de mayo de 1921 , ambas con interrupción del servicio de telégrafos e inicio de incendios, y 1960, cuando se informó de una interrupción generalizada de la radio. [14]
A principios de agosto de 1972 , una serie de llamaradas y tormentas solares alcanzaron su punto máximo con una llamarada estimada alrededor de X20 que produjo el tránsito de CME más rápido jamás registrado y una severa tormenta geomagnética y de protones que interrumpió las redes eléctricas y de comunicaciones terrestres, así como los satélites (al menos uno fabricado permanentemente inoperativo) y detonó espontáneamente numerosas minas marinas de influencia magnética de la Marina de los EE. UU. en Vietnam del Norte. [dieciséis]
La tormenta geomagnética de marzo de 1989 provocó el colapso de la red eléctrica de Hydro-Québec en segundos cuando los relés de protección de los equipos se dispararon en una secuencia en cascada. [3] [17] Seis millones de personas quedaron sin electricidad durante nueve horas. La tormenta provocó auroras en lugares tan al sur como Texas y Florida . [4] La tormenta que causó este evento fue el resultado de una masa coronal expulsada del Sol el 9 de marzo de 1989. [18] El Dst mínimo fue −589 nT.
El 14 de julio de 2000, estalló una llamarada de clase X5 (conocida como evento del Día de la Bastilla ) y se lanzó una masa coronal directamente hacia la Tierra. Del 15 al 17 de julio se produjo una súper tormenta geomagnética; el mínimo del índice Dst fue −301 nT. A pesar de la fuerza de la tormenta, no se reportaron fallas en la distribución de energía. [19] El evento del Día de la Bastilla fue observado por las Voyager 1 y Voyager 2 , [20] por lo que es la tormenta solar más lejana del Sistema Solar que se ha observado.
Diecisiete grandes llamaradas estallaron en el Sol entre el 19 de octubre y el 5 de noviembre de 2003, incluida quizás la llamarada más intensa jamás medida con el sensor GOES XRS: una enorme llamarada X28, [21] que provocó un apagón de radio extremo el 4 de noviembre. Estas llamaradas estuvieron asociadas con eventos CME que causaron tres tormentas geomagnéticas entre el 29 de octubre y el 2 de noviembre, durante las cuales la segunda y tercera tormentas se iniciaron antes de que el período de tormenta anterior se hubiera recuperado por completo. Los valores mínimos de Dst fueron −151, −353 y −383 nT. Otra tormenta en esta secuencia ocurrió del 4 al 5 de noviembre con un Dst mínimo de −69 nT. La última tormenta geomagnética fue más débil que las tormentas anteriores, porque la región activa del Sol había rotado más allá del meridiano donde la porción central CME creada durante el evento de llamarada pasó al costado de la Tierra. Toda la secuencia se conoció como la Tormenta Solar de Halloween . [22] El Sistema de Aumento de Área Amplia (WAAS) operado por la Administración Federal de Aviación (FAA) estuvo fuera de línea durante aproximadamente 30 horas debido a la tormenta. [23] El satélite japonés ADEOS-2 resultó gravemente dañado y el funcionamiento de muchos otros satélites se vio interrumpido debido a la tormenta. [24]
El viento solar también arrastra consigo el campo magnético del Sol. Este campo tendrá orientación Norte o Sur. Si el viento solar tiene ráfagas energéticas, contrayendo y expandiendo la magnetosfera, o si el viento solar toma una polarización hacia el sur , se pueden esperar tormentas geomagnéticas. El campo hacia el sur provoca la reconexión magnética de la magnetopausa diurna, inyectando rápidamente energía magnética y de partículas en la magnetosfera de la Tierra.
Durante una tormenta geomagnética, la capa F 2 de la ionosfera se vuelve inestable, se fragmenta e incluso puede desaparecer. En las regiones de los polos norte y sur de la Tierra, se pueden observar auroras .
Los magnetómetros monitorean tanto la zona auroral como la región ecuatorial. Se utilizan dos tipos de radar , de dispersión coherente y de dispersión incoherente, para sondear la ionosfera auroral. Al hacer rebotar señales en las irregularidades ionosféricas, que se mueven con las líneas de campo, se puede rastrear su movimiento e inferir la convección magnetosférica.
Los instrumentos de la nave espacial incluyen:
Las computadoras han hecho posible reunir décadas de observaciones magnéticas aisladas y extraer patrones promedio de corrientes eléctricas y respuestas promedio a variaciones interplanetarias. También realizan simulaciones de la magnetosfera global y sus respuestas, resolviendo las ecuaciones de magnetohidrodinámica (MHD) en una cuadrícula numérica. Deben añadirse extensiones adecuadas para cubrir la magnetosfera interior, donde deben tenerse en cuenta las derivas magnéticas y la conducción ionosférica. En las regiones polares, directamente relacionadas con el viento solar, se pueden modelar con éxito anomalías ionosféricas a gran escala, incluso durante supertormentas geomagnéticas. [26] A escalas más pequeñas (comparables a un grado de latitud/longitud), los resultados son difíciles de interpretar y se necesitan ciertas suposiciones sobre la incertidumbre que obliga a las altas latitudes. [27]
Se ha sugerido que una tormenta geomagnética de la escala de la tormenta solar de 1859 hoy causaría miles de millones o incluso billones de dólares en daños a los satélites, las redes eléctricas y las comunicaciones por radio, y podría provocar apagones eléctricos en una escala masiva que tal vez no reparado durante semanas, meses o incluso años. [23] Estos apagones eléctricos repentinos pueden amenazar la producción de alimentos. [28]
Cuando los campos magnéticos se mueven en las proximidades de un conductor, como por ejemplo un cable, se produce en el conductor una corriente inducida geomagnéticamente . Esto ocurre a gran escala durante las tormentas geomagnéticas (el mismo mecanismo también influyó en las líneas telefónicas y telegráficas antes que en la fibra óptica, ver arriba) en todas las líneas de transmisión largas. Por lo tanto, las líneas de transmisión largas (de muchos kilómetros de longitud) están expuestas a daños debido a este efecto. En particular, esto incluye principalmente a operadores en China, América del Norte y Australia, especialmente en líneas modernas de alto voltaje y baja resistencia. La red europea se compone principalmente de circuitos de transmisión más cortos, que son menos vulnerables a sufrir daños. [29] [30]
Las corrientes (casi directas) inducidas en estas líneas por las tormentas geomagnéticas son dañinas para los equipos de transmisión eléctrica, especialmente los transformadores : inducen la saturación del núcleo , limitan su rendimiento (además de activar varios dispositivos de seguridad) y provocan que las bobinas y los núcleos se calienten. En casos extremos, este calor puede inutilizarlos o destruirlos, induciendo incluso una reacción en cadena que puede sobrecargar los transformadores. [31] [32] La mayoría de los generadores están conectados a la red a través de transformadores, aislándolos de las corrientes inducidas en la red, haciéndolos mucho menos susceptibles a daños debido a la corriente geomagnéticamente inducida . Sin embargo, un transformador sometido a esto actuará como una carga desequilibrada para el generador, provocando una corriente de secuencia negativa en el estator y, en consecuencia, un calentamiento del rotor.
Según un estudio de la corporación Metatech, una tormenta de fuerza comparable a la de 1921 destruiría más de 300 transformadores y dejaría sin electricidad a más de 130 millones de personas en Estados Unidos, lo que costaría varios billones de dólares. [33] Se debate el alcance de la interrupción, y algunos testimonios en el Congreso indican una interrupción potencialmente indefinida hasta que los transformadores puedan ser reemplazados o reparados. [34] Estas predicciones se contradicen con un informe de la North American Electric Reliability Corporation que concluye que una tormenta geomagnética causaría una inestabilidad temporal de la red, pero no una destrucción generalizada de los transformadores de alto voltaje. El informe señala que el colapso de la red de Quebec, ampliamente citado, no fue causado por el sobrecalentamiento de los transformadores sino por el disparo casi simultáneo de siete relés. [35]
Además de que los transformadores son vulnerables a los efectos de una tormenta geomagnética, las empresas eléctricas también pueden verse afectadas indirectamente por la tormenta geomagnética. Por ejemplo, los proveedores de servicios de Internet pueden dejar de funcionar durante tormentas geomagnéticas (y/o permanecer fuera de funcionamiento mucho tiempo después). Las compañías de electricidad pueden tener equipos que requieren una conexión a Internet funcional para funcionar, por lo que durante el período en que el proveedor de servicios de Internet no funciona, es posible que la electricidad tampoco se distribuya. [36]
Al recibir alertas y avisos de tormentas geomagnéticas (por ejemplo, del Centro de Predicción del Clima Espacial ; a través de satélites de clima espacial como SOHO o ACE), las compañías eléctricas pueden minimizar los daños a los equipos de transmisión de energía, desconectando momentáneamente los transformadores o induciendo apagones temporales. También existen medidas preventivas, incluida la prevención de la entrada de GIC a la red a través de la conexión neutro a tierra. [29]
Los sistemas de comunicación de alta frecuencia (3 a 30 MHz) utilizan la ionosfera para reflejar señales de radio a largas distancias. Las tormentas ionosféricas pueden afectar las comunicaciones por radio en todas las latitudes. Algunas frecuencias se absorben y otras se reflejan, lo que genera señales que fluctúan rápidamente y rutas de propagación inesperadas . Las estaciones de televisión y radio comerciales se ven poco afectadas por la actividad solar, pero las transmisiones tierra-aire, barco-costa, radiodifusión de onda corta y radioaficionados (principalmente las bandas por debajo de 30 MHz) se ven afectadas con frecuencia. Los operadores de radio que utilizan bandas HF dependen de alertas solares y geomagnéticas para mantener sus circuitos de comunicación en funcionamiento.
Los sistemas militares de detección o alerta temprana que funcionan en el rango de alta frecuencia también se ven afectados por la actividad solar. El radar sobre el horizonte hace rebotar señales en la ionosfera para monitorear el lanzamiento de aviones y misiles desde largas distancias. Durante las tormentas geomagnéticas, este sistema puede verse gravemente obstaculizado por los ruidos de radio. Además, algunos sistemas de detección de submarinos utilizan las firmas magnéticas de los submarinos como entrada para sus esquemas de localización. Las tormentas geomagnéticas pueden enmascarar y distorsionar estas señales.
La Administración Federal de Aviación recibe periódicamente alertas de ráfagas de radio solares para poder reconocer problemas de comunicación y evitar mantenimiento innecesario. Cuando una aeronave y una estación terrestre están alineadas con el Sol, pueden producirse altos niveles de ruido en las frecuencias de radio de control aéreo. [ cita necesaria ] Esto también puede suceder en las comunicaciones por satélite UHF y SHF , cuando una estación terrestre, un satélite y el Sol están alineados . Para evitar el mantenimiento innecesario de los sistemas de comunicaciones por satélite a bordo de aviones, AirSatOne proporciona una transmisión en vivo de eventos geofísicos desde el Centro de predicción del clima espacial de la NOAA . [37] permite a los usuarios ver las tormentas espaciales observadas y previstas. Las alertas geofísicas son importantes para las tripulaciones de vuelo y el personal de mantenimiento para determinar si alguna actividad o historial próximo tiene o tendrá un efecto en las comunicaciones por satélite, la navegación GPS y las comunicaciones HF.
En el pasado, las líneas telegráficas se vieron afectadas por tormentas geomagnéticas. Los telégrafos utilizaban un único cable largo para la línea de datos, que se extendía a lo largo de muchos kilómetros, utilizaba el suelo como cable de retorno y se alimentaba con corriente continua de una batería; esto los hacía (junto con las líneas eléctricas mencionadas a continuación) susceptibles de ser influenciados por las fluctuaciones causadas por la corriente del anillo . El voltaje/corriente inducido por la tormenta geomagnética podría haber disminuido la señal, cuando se le resta la polaridad de la batería, o a señales demasiado fuertes y espurias cuando se le suma; Algunos operadores aprendieron a desconectar la batería y confiar en la corriente inducida como fuente de energía. En casos extremos, la corriente inducida era tan alta que las bobinas del lado receptor estallaban en llamas o los operadores recibían descargas eléctricas. Las tormentas geomagnéticas afectan también a las líneas telefónicas de largo recorrido, incluidos los cables submarinos salvo que sean de fibra óptica . [38]
Los daños a los satélites de comunicaciones pueden interrumpir los enlaces no terrestres de telefonía, televisión, radio e Internet. [39] La Academia Nacional de Ciencias informó en 2008 sobre posibles escenarios de perturbaciones generalizadas en el pico solar de 2012-2013. [40] Una supertormenta solar podría provocar cortes de Internet a gran escala en todo el mundo que durarían meses . Un estudio describe posibles medidas de mitigación y excepciones (como redes de malla impulsadas por usuarios , aplicaciones peer-to-peer relacionadas y nuevos protocolos) y analiza la solidez de la infraestructura de Internet actual . [41] [42] [43]
Los sistemas globales de navegación por satélite (GNSS) y otros sistemas de navegación como LORAN y el ahora desaparecido OMEGA se ven afectados negativamente cuando la actividad solar interrumpe la propagación de su señal. El sistema OMEGA constaba de ocho transmisores ubicados en todo el mundo. Los aviones y barcos utilizaron señales de muy baja frecuencia de estos transmisores para determinar sus posiciones. Durante los eventos solares y las tormentas geomagnéticas, el sistema proporcionaba a los navegantes información inexacta de hasta varios kilómetros. Si los navegantes hubieran sido alertados de que se estaba produciendo un evento de protones o una tormenta geomagnética, podrían haber cambiado a un sistema de respaldo.
Las señales GNSS se ven afectadas cuando la actividad solar provoca variaciones repentinas en la densidad de la ionosfera, lo que hace que las señales del satélite centelleen ( como una estrella parpadeante). En HAARP se estudia el centelleo de señales de satélite durante las perturbaciones ionosféricas durante experimentos de modificación ionosférica. También ha sido estudiado en el Radio Observatorio de Jicamarca .
Una tecnología utilizada para permitir que los receptores GNSS continúen funcionando en presencia de algunas señales confusas es el Monitoreo de Integridad Autónoma del Receptor (RAIM), utilizado por el GPS. Sin embargo, RAIM se basa en el supuesto de que la mayoría de la constelación GPS funciona correctamente y, por lo tanto, es mucho menos útil cuando toda la constelación se ve perturbada por influencias globales como las tormentas geomagnéticas. Incluso si RAIM detecta una pérdida de integridad en estos casos, es posible que no pueda proporcionar una señal útil y confiable.
Las tormentas geomagnéticas y el aumento de las emisiones solares ultravioleta calientan la atmósfera superior de la Tierra, provocando su expansión. El aire caliente aumenta y la densidad en la órbita de los satélites hasta unos 1.000 km (600 millas) aumenta significativamente. Esto da como resultado una mayor resistencia , lo que hace que los satélites se desaceleren y cambien ligeramente de órbita . Los satélites de órbita terrestre baja que no son impulsados repetidamente a órbitas más altas caen lentamente y eventualmente se queman. La destrucción del Skylab en 1979 es un ejemplo de una nave espacial que reingresa prematuramente a la atmósfera de la Tierra como resultado de una actividad solar mayor de lo esperado. [44] Durante la gran tormenta geomagnética de marzo de 1989, cuatro satélites de navegación de la Marina de los EE.UU. tuvieron que quedar fuera de servicio durante una semana, el Comando Espacial de los EE.UU. tuvo que colocar nuevos elementos orbitales para más de 1.000 objetos afectados, y el satélite Solar Maximum Mission cayó fuera de órbita en diciembre del mismo año. [45]
La vulnerabilidad de los satélites depende también de su posición. La anomalía del Atlántico Sur es un lugar peligroso para el paso de un satélite, debido al campo geomagnético inusualmente débil en la órbita terrestre baja. [46]
Los campos geomagnéticos que fluctúan rápidamente pueden producir corrientes geomagnéticamente inducidas en las tuberías . Esto puede causar múltiples problemas a los ingenieros de tuberías. Los medidores de flujo de tuberías pueden transmitir información de flujo errónea y la tasa de corrosión de la tubería puede aumentar drásticamente. [47] [48]
La atmósfera y la magnetosfera de la Tierra permiten una protección adecuada a nivel del suelo, pero los astronautas están sujetos a un envenenamiento por radiación potencialmente letal . La penetración de partículas de alta energía en las células vivas puede provocar daños cromosómicos , cáncer y otros problemas de salud. Grandes dosis pueden ser inmediatamente fatales. Los protones solares con energías superiores a 30 MeV son especialmente peligrosos. [49]
Los eventos de protones solares también pueden producir una radiación elevada a bordo de aviones que vuelan a gran altura. Aunque estos riesgos son pequeños, las tripulaciones de vuelo pueden verse expuestas repetidamente, y el seguimiento de los eventos de protones solares mediante instrumentación satelital permite monitorear y evaluar la exposición y, eventualmente, ajustar las trayectorias y altitudes de vuelo para reducir la dosis absorbida. [50] [51] [52]
Las mejoras a nivel del suelo , también conocidas como eventos a nivel del suelo o GLE, ocurren cuando un evento de partículas solares contiene partículas con suficiente energía para tener efectos a nivel del suelo, principalmente detectados como un aumento en el número de neutrones medidos a nivel del suelo. Se ha demostrado que estos eventos tienen un impacto en la dosis de radiación, pero no aumentan significativamente el riesgo de cáncer. [53]
Existe una gran pero controvertida literatura científica sobre las conexiones entre las tormentas geomagnéticas y la salud humana. Esto comenzó con artículos rusos y posteriormente el tema fue estudiado por científicos occidentales. Las teorías sobre la causa incluyen la participación del criptocromo , la melatonina , la glándula pineal y el ritmo circadiano . [54]
Algunos científicos sugieren que las tormentas solares inducen a las ballenas a varar . [55] [56] Algunos han especulado que los animales migratorios que utilizan la magnetorrecepción para navegar, como las aves y las abejas melíferas, también podrían verse afectados. [57]
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)Tormentas climáticas espaciales de Halloween de 2003, Memorando técnico de la NOAA OAR SEC-88, Centro de Medio Ambiente Espacial, Boulder, Colorado, junio de 2004{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link){{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)Enlaces relacionados con redes eléctricas:
