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En física solar , un evento de partículas solares ( SPE ), también conocido como evento de partículas energéticas solares o tormenta de radiación solar , [a] [1] es un fenómeno solar que ocurre cuando las partículas emitidas por el Sol , principalmente protones , se aceleran ya sea en la atmósfera del Sol durante una llamarada solar o en el espacio interplanetario por un choque de eyección de masa coronal . Otros núcleos como el helio y los iones HZE también pueden acelerarse durante el evento. Estas partículas pueden penetrar el campo magnético de la Tierra y causar la ionización parcial de la ionosfera . Los protones energéticos son un peligro de radiación significativo para las naves espaciales y los astronautas .
Las partículas cargadas se producen cuando las partículas cargadas de la atmósfera del Sol se aceleran a velocidades extremadamente altas. Estas partículas cargadas, denominadas partículas energéticas solares , pueden escapar al espacio interplanetario, donde siguen el campo magnético interplanetario .
Cuando las partículas energéticas solares interactúan con la magnetosfera de la Tierra , son guiadas por el campo magnético de la Tierra hacia los polos Norte y Sur, donde pueden penetrar en la atmósfera superior. [2]
Actualmente se debate el mecanismo físico que se esconde detrás de la aceleración de las partículas energéticas solares que conducen a las SPE. Sin embargo, las SPE pueden dividirse en dos clases en función de sus mecanismos de aceleración. [ cita requerida ]
Se cree que los SPE graduales implican la aceleración de partículas por choques impulsados por eyecciones de masa coronal en la corona superior . Están asociados con ráfagas de radio de tipo II y se caracterizan por abundancias elementales, estados de carga y temperaturas similares a las de la corona ambiental. Estos eventos producen las intensidades de partículas más altas cerca de la Tierra.
Se cree que los fenómenos de emisión de rayos solares impulsivos implican la aceleración de partículas principalmente por procesos asociados con la reconexión magnética y las interacciones onda-partícula en los lugares donde se producen las erupciones solares . Están asociados con emisiones de erupciones de corta duración a bajas altitudes y explosiones de radio de tipo III . Son menos intensos cerca de la Tierra que los eventos graduales. Se ha identificado una clase híbrida adicional que involucra características tanto de eventos graduales como impulsivos. [3] [4]
Los protones acelerados durante una llamarada sísmica normalmente no tienen suficiente energía para penetrar el campo magnético de la Tierra. Sin embargo, durante llamaradas inusualmente intensas, los protones pueden acelerarse hasta alcanzar energías suficientes para alcanzar la magnetosfera y la ionosfera de la Tierra alrededor del Polo Norte y el Polo Sur .
Los protones energéticos que son guiados hacia las regiones polares chocan con los componentes atmosféricos y liberan su energía a través del proceso de ionización. La mayor parte de la energía se deposita en la región más baja (región D) de la ionosfera (alrededor de 50-80 km de altitud). Esta área es particularmente importante para las comunicaciones de radio ionosféricas porque es el área donde ocurre la mayor parte de la absorción de energía de la señal de radio. La ionización mejorada producida por los protones energéticos entrantes aumenta los niveles de absorción en la ionosfera inferior y puede tener el efecto de bloquear por completo todas las comunicaciones de radio ionosféricas a través de las regiones polares. Estos eventos se conocen como eventos de absorción del casquete polar. Estos eventos comienzan y duran mientras la energía de los protones entrantes a aproximadamente más de 10 MeV (millones de electronvoltios) exceda aproximadamente 10 pfu (unidades de flujo de partículas o partículas sr −1 cm −2 s −1 ) a altitudes de satélite geoestacionarias .
Los fenómenos de absorción en el casquete polar y el consiguiente apagón de las comunicaciones por radio de alta frecuencia plantean problemas singulares a la aviación comercial y militar. Las rutas que transitan por regiones polares , especialmente por encima de los 82 grados de latitud norte, sólo pueden depender de comunicaciones por radio de alta frecuencia. Por lo tanto, si se producen o se prevén fenómenos de absorción en el casquete polar, las aerolíneas comerciales deben redirigir sus rutas de modo que las comunicaciones por radio de alta frecuencia sigan siendo viables. [5] [6]
Los SPE extremadamente intensos capaces de producir protones energéticos con energías superiores a los 200 MeV pueden aumentar las tasas de recuento de neutrones a nivel del suelo mediante efectos de radiación secundaria. Estos eventos poco frecuentes se conocen como mejoras a nivel del suelo (o GLE). [7] En la actualidad, se conocen 73 eventos GLE. [8] El evento GLE más fuerte conocido se detectó el 23 de febrero de 1956. [9] Algunos eventos producen grandes cantidades de iones HZE, aunque su contribución a la radiación total es pequeña en comparación con el nivel de protones. [10]
Se cree que los fenómenos de partículas solares son los responsables de los fenómenos de Miyake , en los que se observaron marcados aumentos en la concentración de ciertos isótopos que se encuentran en los anillos de los árboles. Estos fenómenos, descubiertos por el físico Fusa Miyake, han permitido datar una serie de fenómenos de partículas solares en años específicos.
Los vuelos comerciales transpolares a gran altitud han registrado aumentos en la radiación durante estos fenómenos. En 2019, la Organización de Aviación Civil Internacional presentó los Centros de Meteorología Espacial, que publican avisos meteorológicos espaciales pertinentes para la navegación aérea internacional, en los que se describen los efectos del clima espacial en la aviación y las posibles medidas de mitigación. [11] Los vuelos de aeronaves que se alejan de las regiones polares tienen muchas menos probabilidades de sufrir un impacto de los fenómenos meteorológicos espaciales.
Los astronautas que se encuentran fuera del escudo protector de la magnetosfera terrestre, como un astronauta en tránsito hacia la Luna o que se encuentra en ella, pueden sufrir una exposición significativa a la radiación de protones. Sin embargo, los efectos se pueden minimizar si los astronautas se encuentran en una órbita terrestre baja y permanecen confinados en las regiones más protegidas de su nave espacial. Los niveles de radiación de protones en la órbita terrestre baja aumentan con la inclinación orbital. Por lo tanto, cuanto más se acerque una nave espacial a las regiones polares, mayor será la exposición a la radiación energética de protones.
Los protones energéticos de las tormentas de protones pueden cargar eléctricamente las naves espaciales a niveles que pueden dañar los componentes electrónicos. También pueden hacer que los componentes electrónicos se comporten de manera errática. Por ejemplo, la memoria de estado sólido de las naves espaciales puede verse alterada, lo que puede provocar la contaminación de los datos o del software y dar lugar a la ejecución de comandos inesperados (fantasmas) en la nave espacial. Las tormentas de protones energéticos también destruyen la eficiencia de los paneles solares que están diseñados para recoger y convertir la luz solar en electricidad. Durante años de exposición a la actividad energética de los protones del Sol, las naves espaciales pueden perder una cantidad sustancial de energía eléctrica que puede obligar a apagar instrumentos importantes.
Cuando los protones energéticos chocan con los componentes electrónicos ópticos sensibles de las naves espaciales (como los rastreadores de estrellas y otras cámaras), se producen destellos en las imágenes que se capturan. El efecto puede ser tan pronunciado que, durante fenómenos extremos, no es posible obtener imágenes de calidad del Sol o de las estrellas. Esto puede hacer que las naves espaciales pierdan su orientación, lo que es fundamental para que los controladores en tierra mantengan el control.
Los fenómenos de protones de gran magnitud pueden estar asociados a tormentas geomagnéticas que pueden causar perturbaciones generalizadas en las redes eléctricas . Sin embargo, los fenómenos de protones en sí mismos no son responsables de producir anomalías en las redes eléctricas ni de producir tormentas geomagnéticas. Las redes eléctricas solo son sensibles a las fluctuaciones del campo magnético de la Tierra.