Las tormentas solares pueden destruir satélites con facilidad: un experto en clima espacial explica la ciencia


El 4 de febrero de 2022, SpaceX lanzó 49 satélites como parte del proyecto de Internet Starlink de Elon Musk, la mayoría de los cuales se quemaron en la atmósfera días después. La causa de esta falla de más de US$50 millones fue una tormenta geomagnética provocada por el sol.

El sol ocasionalmente expulsa grandes cantidades de energía y partículas al espacio que pueden estrellarse contra la Tierra. Crédito: NASA/GSFC/SDO vía WikimediaCommons

Las tormentas geomagnéticas ocurren cuando el clima espacial golpea e interactúa con la Tierra. El clima espacial es causado por fluctuaciones dentro del sol que lanzan electrones, protones y otras partículas al espacio. Estudio los peligros que el clima espacial representa para los activos espaciales y cómo los científicos pueden mejorar los modelos y la predicción del clima espacial para protegerse contra estos peligros.
Cuando el clima espacial llega a la Tierra, desencadena muchos procesos complicados que pueden causar muchos problemas a cualquier cosa en órbita. E ingenieros como yo estamos trabajando para comprender mejor estos riesgos y defender los satélites contra ellos.
¿Qué causa el clima espacial?
El sol siempre está liberando una cantidad constante de partículas cargadas en el espacio. Esto se llama el viento solar. El viento solar también lleva consigo el campo magnético solar. A veces, las fluctuaciones localizadas en el sol arrojarán ráfagas de partículas inusualmente fuertes en una dirección particular. Si la Tierra se encuentra en el camino del viento solar mejorado generado por uno de estos eventos y es golpeada, se obtiene una tormenta geomagnética.

Las dos causas más comunes de las tormentas geomagnéticas son las eyecciones de masa coronal (explosiones de plasma de la superficie del sol) y el viento solar que escapa a través de los agujeros coronales (puntos de baja densidad en la atmósfera exterior del sol).
La velocidad a la que el plasma expulsado o el viento solar llega a la Tierra es un factor importante: cuanto más rápida sea la velocidad, más fuerte será la tormenta geomagnética. Normalmente, el viento solar viaja a aproximadamente 900 000 mph (1,4 millones de kph). Pero los eventos solares fuertes pueden liberar vientos hasta cinco veces más rápido.

La tormenta geomagnética más fuerte registrada fue causada por una eyección de masa coronal en septiembre de 1859. Cuando la masa de partículas golpeó la Tierra, provocó sobretensiones eléctricas en las líneas telegráficas que sorprendieron a los operadores y, en algunos casos extremos, incluso incendiaron los instrumentos telegráficos. La investigación sugiere que si una tormenta geomagnética de esta magnitud golpeara la Tierra hoy, causaría daños por aproximadamente $ 2 billones.


Un escudo magnético

Las emisiones del sol, incluido el viento solar, serían increíblemente peligrosas para cualquier forma de vida que tuviera la mala suerte de estar directamente expuesta a ellas. Afortunadamente, el campo magnético de la Tierra hace mucho para proteger a la humanidad.

El campo magnético de la Tierra actúa como un escudo que absorbe la mayor parte del viento solar. Crédito: NASA a través de WikimediaCommons

Lo primero que golpea el viento solar cuando se acerca a la Tierra es la magnetosfera. Esta región que rodea la atmósfera de la Tierra está llena de plasma hecho de electrones e iones. Está dominado por el fuerte campo magnético del planeta. Cuando el viento solar golpea la magnetosfera, transfiere masa, energía e impulso a esta capa.
La magnetosfera puede absorber la mayor parte de la energía del nivel diario del viento solar. Pero durante fuertes tormentas, puede sobrecargarse y transferir el exceso de energía a las capas superiores de la atmósfera terrestre cerca de los polos. Esta redirección de energía a los polos es lo que da como resultado fantásticos eventos de auroras, pero también provoca cambios en la atmósfera superior que pueden dañar los activos espaciales.

Peligros para lo que está en órbita

Hay algunas formas diferentes en que las tormentas geomagnéticas amenazan a los satélites en órbita que sirven a las personas en tierra todos los días.
Cuando la atmósfera absorbe energía de las tormentas magnéticas, se calienta y se expande hacia arriba. Esta expansión aumenta significativamente la densidad de la termosfera, la capa de la atmósfera que se extiende desde aproximadamente 80 kilómetros hasta aproximadamente 1000 km sobre la superficie de la Tierra. Una mayor densidad significa más resistencia, lo que puede ser un problema para los satélites.
Esta situación es exactamente lo que condujo a la desaparición de los satélites SpaceX Starlink en febrero. Los cohetes Falcon 9 lanzan los satélites Starlink a una órbita de baja altitud, generalmente entre 60 y 120 millas (100 y 200 km) sobre la superficie de la Tierra. Luego, los satélites usan motores a bordo para superar lentamente la fuerza de arrastre y elevarse a su altitud final de aproximadamente 350 millas (550 km).
El último lote de satélites Starlink se encontró con una tormenta geomagnética mientras aún se encontraba en una órbita terrestre muy baja. Sus motores no pudieron superar la resistencia significativamente mayor, y los satélites comenzaron a caer lentamente hacia la Tierra y finalmente se quemaron en la atmósfera.
El arrastre es solo uno de los peligros que el clima espacial representa para los activos espaciales. El aumento significativo de electrones de alta energía dentro de la magnetosfera durante fuertes tormentas geomagnéticas significa que más electrones penetrarán el blindaje de una nave espacial y se acumularán dentro de sus componentes electrónicos. Esta acumulación de electrones puede descargarse en lo que básicamente es un pequeño rayo y dañar la electrónica.
La radiación penetrante o las partículas cargadas en la magnetosfera, incluso durante tormentas geomagnéticas leves, también pueden alterar la señal de salida de los dispositivos electrónicos. Este fenómeno puede causar errores en cualquier parte del sistema electrónico de una nave espacial, y si el error ocurre en algo crítico, todo el satélite puede fallar. Los errores pequeños son comunes y generalmente reparables, pero las fallas totales, aunque raras, ocurren.
Finalmente, las tormentas geomagnéticas pueden alterar la capacidad de los satélites para comunicarse con la Tierra mediante ondas de radio. Muchas tecnologías de comunicación, como el GPS, por ejemplo, se basan en ondas de radio. La atmósfera siempre distorsiona las ondas de radio en cierta medida, por lo que los ingenieros corrigen esta distorsión cuando construyen sistemas de comunicación. Pero durante las tormentas geomagnéticas, los cambios en la ionosfera, el equivalente cargado de la termosfera que abarca aproximadamente el mismo rango de altitud, cambiará la forma en que las ondas de radio viajan a través de ella. Las calibraciones establecidas para una atmósfera tranquila se vuelven incorrectas durante las tormentas geomagnéticas.
Esto, por ejemplo, dificulta el bloqueo de las señales GPS y puede desviar el posicionamiento unos pocos metros. Para muchas industrias (aviación, marítima, robótica, transporte, agricultura, militar y otras), los errores de posicionamiento GPS de unos pocos metros simplemente no son sostenibles. Los sistemas de conducción autónomos también requerirán un posicionamiento preciso.

Los satélites Starlink se lanzan en lotes y 40 fueron destruidos a principios de febrero debido a una tormenta geomagnética. Crédito: SpaceX a través de WikimediaCommons

Cómo protegerse contra el clima espacial

Los satélites son de vital importancia para que gran parte del mundo moderno funcione, y proteger los activos espaciales del clima espacial es un área importante de investigación.
Algunos de los riesgos se pueden minimizar protegiendo la electrónica de la radiación o desarrollando materiales que sean más resistentes a la radiación. Pero solo se puede proteger hasta cierto punto frente a una poderosa tormenta geomagnética.
La capacidad de pronosticar tormentas con precisión permitiría salvaguardar de manera preventiva los satélites y otros activos hasta cierto punto apagando los dispositivos electrónicos sensibles o reorientando los satélites para que estén mejor protegidos. Pero mientras que el modelado y el pronóstico de las tormentas geomagnéticas han mejorado significativamente en los últimos años, las proyecciones a menudo son incorrectas. La Administración Nacional Oceánica y Atmosférica había advertido que, después de una eyección de masa coronal, era «probable» que ocurriera una tormenta geomagnética el día anterior o el día del lanzamiento de Starlink en febrero. La misión siguió adelante de todos modos.
El sol es como un niño que a menudo hace berrinches. Es esencial para que la vida continúe, pero su disposición en constante cambio hace que las cosas sean un desafío.

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