Las tormentas ionosféricas son tormentas que contienen densidades variables [1] de electrones energizados en la ionosfera producidos por el Sol. Las tormentas ionosféricas son causadas por tormentas geomagnéticas . [2] Se clasifican en tormentas positivas y negativas, donde las tormentas positivas tienen una alta densidad de electrones y las tormentas negativas contienen una densidad más baja. [3] El contenido total de electrones (TEC) se utiliza para medir estas densidades y es una variable clave utilizada en los datos para registrar y comparar las intensidades de las tormentas ionosféricas.
La aparición de tormentas ionosféricas está fuertemente relacionada con aumentos repentinos de la velocidad del viento solar , donde el viento solar trae electrones energizados a la atmósfera superior de la Tierra y contribuye al aumento de TEC. [4] Las tormentas más grandes forman la visibilidad global de las auroras . Las auroras se ven con mayor frecuencia en el Círculo Polar Ártico ; sin embargo, las grandes tormentas ionosféricas permiten que sean visibles en latitudes algo más bajas . La tormenta ionosférica más intensa ocurrió en 1859, comúnmente denominada “ tormenta solar de 1859 ” o “ evento Carrington ”. El Evento Carrington recibió su nombre de Richard Carrington , un astrónomo inglés que observó la actividad solar irregular [5] que se produjo durante el Evento Carrington. La intensidad de la tormenta llevó la visibilidad de la aurora a latitudes más bajas y, según se informa, se vio en lugares como Florida y el Caribe . Las tormentas ionosféricas pueden ocurrir en cualquier momento y lugar. [6]
Las tormentas ionosféricas de las regiones F y D también se consideran categorías principales de tormentas ionosféricas. Las tormentas de la región F ocurren debido a aumentos repentinos de electrones energizados introducidos en la ionosfera de la Tierra. La región F es la región más alta de la ionosfera. Está formado por las capas F1 y F2 y su distancia sobre la superficie de la Tierra es de aproximadamente 200 a 500 km. [7] La duración de estas tormentas es de alrededor de un día y reaparecen cada aproximadamente 27,3 días. [6] La mayoría de las anomalías ionosféricas ocurren en las capas F2 y E de la ionosfera. Las tormentas de la región D ocurren inmediatamente después de las tormentas de la región F y se conocen como el "efecto postormenta", cuya duración abarca una semana después de la ocurrencia de la tormenta de la región F. [8]
La tormenta ionosférica más grande ocurrió durante el evento Carrington el 28 de agosto de 1859 y causó grandes daños en varias partes, incluido el incendio de señales ferroviarias y cables telegráficos. [9] La densidad sustancial de electrones energizados producidos por la tormenta causó estas sobrecargas y escasez eléctricas.
La aparición de tormentas en los últimos 35 años se ha consolidado y medido en el máximo Ap [2] , que registra la actividad geomagnética diaria promedio durante las tormentas ionosféricas. Hay niveles más altos de actividad geomagnética con recuentos máximos de Ap elevados. Los recuentos de Ap en términos de actividad geomagnética de 0 a 7 se consideran "tranquilos", de 8 a 15 "inquietos", de 16 a 29 "activos", de 30 a 49 "tormentas menores", de 50 a 99 "tormentas importantes" y por encima de 100. clasificado como una "tormenta severa". [10] En los últimos 35 años se produjeron tormentas menores entre 30 y 49 Ap el 13 de septiembre de 1999 (46), el 11 de octubre de 2008 (34), el 11 de marzo de 2011 (37), el 9 de octubre de 2012 (46) y el 19 de febrero de 2014. (43). Se produjeron tormentas importantes entre 50 y 99 Ap el 6 de abril de 2000 (82), el 7 de abril de 2000 (74), el 11 de abril de 2001 (85), el 18 de abril de 2002 (63), el 20 de abril de 2002 (70), el 22 de enero de 2004 (64). ), el 18 de enero de 2005 (84), el 5 de abril de 2010 (55), el 9 de marzo de 2012 (87), el 15 de julio de 2012 (78) y el 1 de junio de 2013 (58). Se produjeron tormentas intensas iguales o superiores a 100 Ap el 8 de febrero de 1986 (202), el 9 de febrero de 1986 (100), el 13 de marzo de 1989 (246), el 14 de marzo de 1989 (158), el 17 de noviembre de 1989 (109), el 10 de abril de 1990 (124) , 7 de abril de 1995 (100), 31 de marzo de 2001 (192), 6 de noviembre de 2001 (142), 18 de agosto de 2003 (108), 29 de octubre de 2003 (204), 30 de octubre de 2003 (191), 20 de noviembre de 2003 (150), 27 de julio de 2004 (186), 8 de noviembre de 2004 (140) y 10 de noviembre de 2004 (161). [2]
Según datos recientes, las tormentas del día de San Patricio en marzo de 2013 y 2015 provocaron una fuerte fase negativa en la región ionosférica F2. Las tormentas de marzo de 2013 y 2015 también fueron duraderas y duraron más de 6 horas. [11] La tormenta invernal del hemisferio sur de junio de 2015 tuvo una duración más corta, entre 4 y 6 horas, y produjo un efecto positivo en la ionosfera. Es difícil determinar la ubicación y el momento exactos en que se producen las tormentas ionosféricas, ya que sus efectos dependen de la estación, sus diferentes puntos de inicio, los cambios de composición en la ionosfera y las perturbaciones ionosféricas viajeras (TID) en relación con las ondas de gravedad que tienen impactos variables. en diferentes ubicaciones. [11]
Al comienzo de una tormenta ionosférica, debido a perturbaciones geomagnéticas en la ionosfera, la tormenta se volverá positiva por un breve período. Luego, se convertirá en una tormenta de fase negativa y volverá a una fase de recuperación donde la densidad electrónica se neutralizará. [12]
La fase positiva de una tormenta ionosférica durará aproximadamente las primeras 24 horas. En esta fase, aumentará la densidad de electrones en la ionosfera, particularmente en las capas de mayor altitud, como F1 y F2. La ionización en la fase positiva será menos evidente debido al aumento de la densidad electrónica. [13] Las tormentas ionosféricas de fase positiva tienen una duración más larga y son más frecuentes en invierno. [13] Durante la fase positiva de las grandes tormentas ionosféricas, la altitud de la región F ionosférica aumenta, lo que da como resultado una anomalía masiva de plasma en forma de lengua que se extiende en sentido antisol sobre el polo geomagnético , lo que puede observarse mediante radares terrestres, [14] así como por satélites y el sistema GPS . [15] Incluso en el caso de las tormentas geomagnéticas más grandes , como la supertormenta del 20 de noviembre de 2003, los modelos modernos de circulación general son capaces de simular anomalías ionosféricas positivas. [dieciséis]
La fase negativa de una tormenta ionosférica ocurrirá directamente después de la fase positiva de la tormenta y durará uno o dos días después de que la fase positiva disminuya en la densidad de electrones hasta "por debajo de su nivel de referencia de tiempo de calma". [13] Las fases negativas disminuyen la densidad electrónica de la tormenta. También duran más y aparecen con más frecuencia durante el verano. [13]
La fase de recuperación de la tormenta ionosférica se produce después de que termina la fase negativa y neutraliza la densidad electrónica. Se puede utilizar una escala de tiempo de 12 horas a 1 día de acuerdo con el Modelo de Circulación General de la Termosfera y la Ionosfera (TIGCM) como medio para calcular el momento preciso en que la densidad de electrones se reestabiliza después de la tormenta. [17]
Los efectos de las tormentas ionosféricas en diferentes capas de la ionosfera, incluidas las regiones F, E y D, varían según la magnitud de la tormenta. La región F es la capa más afectada debido a que se encuentra a la mayor altitud en comparación con la región E y la región D. La región D es la región con la altitud más baja y recibirá la menor perturbación geomagnética.
La región F es la capa más alta de la ionosfera y la atmósfera interior, se encuentra a unos 200 km sobre la superficie de la Tierra y abarca unos 300 km de altitud total de la capa. La región F2 de la región F (capa atmosférica interna de mayor altitud) se verá afectada por la disminución de la frecuencia crítica y la frecuencia máxima utilizable , que es necesaria para las comunicaciones por radio de alta frecuencia. [12] La región F se ve afectada por la fricción del viento solar en los límites ionosféricos, lo que provoca un movimiento magnetosférico que puede infiltrarse en la ionosfera o salir de ella, creando perturbaciones que aumentan y disminuyen el TEC y la densidad de electrones. [18] Durante las tormentas ionosféricas, es más común que se produzcan aumentos y disminuciones "anómalos" de TEC y densidad electrónica en la capa F2. [19] La densidad de ionización también se ve afectada en la región F, disminuyendo a medida que aumenta la altura, [20] y a medida que aumenta la densidad de ionización, los átomos pierden electrones y, por lo tanto, las altitudes más bajas pierden densidad de electrones. [21] Las capas inferiores de la región F, como la capa F1, tienen mayores cantidades de ionización y menos densidad de electrones.
La región E es la capa media de la ionosfera, aproximadamente a 100 km sobre la superficie de la Tierra y se extiende alrededor de 100 km hacia arriba. Los efectos en la región E están asociados principalmente con las altas latitudes de la capa, donde se producen perturbaciones geomagnéticas más graves. La ionización en esta capa se debe principalmente a la precipitación de partículas en las auroras. [22] Debido a su menor latitud, hay una mayor densidad de ionización en comparación con la de la región F, y menos densidad de electrones. El aumento de la conductividad de las corrientes es causado por los campos eléctricos de convección de la magnetosfera que recorren las líneas del campo magnético en la región E. [22] El aumento de la conductividad también se debe a los efectos de la tormenta ionosférica. También hay una maximización en la región E de la transferencia de energía del plasma a partículas neutras que promueve el "calentamiento por fricción" y se utiliza como fuente de calor para la termosfera. [22]
La región D es la capa más baja de la ionosfera, aproximadamente a 60 km sobre la superficie de la Tierra y la altitud de su capa abarca entre 30 y 40 km. La parte superior de la región D se encuentra entre 90 y 100 km sobre la superficie de la Tierra. Cuando ocurren tormentas ionosféricas, hay una ionización mejorada de electrones que ocurre en la región D y causa una disminución en la asimetría día-noche (profundidad DLPT). [23] La profundidad DLPT se calcula restando la tasa diurna promedio por la tasa nocturna promedio y dividiendo por el promedio de las tarifas. [24] La profundidad de DLPT disminuye a medida que Ap aumenta en la capa D.
En caso de tormenta ionosférica pueden producirse fuertes perturbaciones en las telecomunicaciones, donde en altitudes medias y altas, [25] las comunicaciones por radio se consideran “ineficaces”. [25] Esto se debe a que las ondas de radio se encuentran en la ionosfera, donde el aumento repentino del viento solar y los electrones energizados interferirán. Los impactos de las perturbaciones relacionadas con las comunicaciones por radio pueden incluir cortes temporales de señal a tecnologías basadas en ondas de radio, como televisores, radios y teléfonos inalámbricos. [26] Los impactos globales varían, incluido el detrimento de la radiodifusión digital y la visualización de información a través de tecnologías de radiocomunicación que pueden eliminar temporalmente el uso de ciertas tecnologías.
Los pasajeros y la tripulación de los aviones reciben una dosis más alta de radiación durante una tormenta ionosférica, en comparación con las personas al nivel del mar. Las altitudes de vuelo suelen ser de 10 km o más, por lo que cuando se produce una tormenta ionosférica durante el vuelo, las personas en el avión tendrán potencialmente una probabilidad aproximada del 0,1% de desarrollar un cáncer letal durante su vida. El avión, cuando vuela a una altitud de 10 km o más, estará expuesto a la radiación ionizada alrededor de 300 veces más que al nivel del mar. [27] Las partículas energizadas producidas por la tormenta ionosférica también pueden causar daños e interrumpir los circuitos microelectrónicos debido a un error de evento único (SEE), cuando las partículas energizadas se interconectan con el dispositivo semiconductor y causan fallas en el sistema. [27] El cortocircuito del equipo eléctrico de la aeronave puede distraer a la tripulación, lo que puede suponer un peligro para la seguridad.
Las células solares de los satélites pueden resultar dañadas o destruidas en tormentas ionosféricas, lo que puede dificultar la transmisión de señales.
Los vientos solares que llegan a la Tierra [28] y la excesiva radiación producida por ellos tienen un efecto limitado sobre el clima. La radiación emitida por el viento solar sólo llega a las capas más altas de la atmósfera terrestre, incluida la ionosfera. Sin embargo, hay informes de un posible impacto en las capas inferiores de la atmósfera. Se registra que el aumento del viento solar durante marzo de 2012 en Estados Unidos coincidió con las olas de calor que se presentaron en ese momento. [29] También se ha informado de una conexión estadística entre la aparición de fuertes inundaciones y tormentas ionosféricas causadas por corrientes de viento solar (HSS) de alta velocidad. Se sugiere que la mayor deposición de energía en la ionosfera auroral durante los HSS genera ondas de gravedad atmosféricas que se propagan hacia abajo . Las ondas de gravedad excitadas llegan a la atmósfera inferior, provocando una inestabilidad en la troposfera y provocando precipitaciones excesivas. [30]
Debido a las perturbaciones de las señales en la ionosfera provocadas por las tormentas ionosféricas, los sistemas GPS se ven drásticamente afectados. A finales del siglo XX y XXI, las señales de GPS se incorporaron en varios teléfonos, por lo que su uso ha aumentado considerablemente desde su lanzamiento. Es una pieza importante de tecnología que se ve afectada casi por completo, ya que sirve para mostrar direcciones, lo que puede impedir que las personas puedan decir direcciones. Los equipos direccionales como los Servicios Globales de Navegación por Satélite (GNSS) también se utilizan en aviones. Este sistema puede verse comprometido por daños por radiación en los satélites y las células solares, todos los cuales son necesarios para que este sistema de navegación funcione. Cuando una aeronave pierde el acceso al GNSS en caso de una tormenta ionosférica, se encuentran disponibles procedimientos de respaldo para la aeronave. [27]
Durante el evento de Carrington en 1859, donde sólo había un número limitado de tecnologías de medición disponibles, no se pudo registrar con precisión el alcance total de los impactos, aparte de los relatos en artículos periodísticos escritos en 1859. A finales del siglo XX y principios del XXI, la tecnología de predicción ha sido mejorado. Esta tecnología permite a los meteorólogos detectar la frecuencia más alta que se puede devolver verticalmente [31] con 24 horas de anticipación con una precisión del 8 al 13% en períodos con perturbaciones limitadas. PropMan, creado por K. Davies a principios de la década de 1970, es un programa que contiene el código de predicción ionosférica (IONSTORM), para pronosticar frecuencias máximas utilizables (MUF) durante tormentas ionosféricas cuando se niegan las frecuencias de comunicación de la región F. [32]
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