Download Clima Espacial: ¿Qué es?

CLIMA ESPACIAL:
¿ QUÉ ES?,
¿ CUÁNDO Y
CÓMO NOS
AFECTA?
Dr. Eduardo A. Araujo-Pradere
CIRES-University of Colorado and Space Weather Prediction Center-NOAA
Clima Espacial
“Clima espacial" se refiere a las condiciones del Sol y del viento
solar, magnetosfera, ionosfera, y termosfera que pueden influenciar
en el rendimiento y confiabilidad de los sistemas tecnológicos
espaciales y terrestres, y que pueden poner en peligro la salud y la
vida humana.
Nuestra civilización depende cada día
más de tecnología vulnerable a las
condiciones del espacio cercano.
Ciclo Solar
El objetivo general del National Space
Weather Program es alcanzar en los
próximos 10 años un sistema activo,
dinámico y multiagencias que facilite la
observación, especificación y predicción
oportuna, exacta y confiable del espacio
cercano.
Corrientes Geomagnéticamente
Inducidas
Cortesía de J. Kappenman.
Daño a Transformador de la
Hydroeléctrica de Quebec - Marzo 1989
Efectos del Clima Espacial
Space Weather Operations,
Boulder, Colorado
La Termosfera y la Ionosfera
Destellos Solares
Eyección de Masa Coronal
Evento de Protones
Solares
Destellos Solares
Incremento del flujo de rayos X
Ionización de la Región D
Tiempo de Arribo: 8 minutos
Duración: 1-2 horas
Efectos:
•Absorción de señales de alta
frecuencia (HF)
•Interrupción de señales de baja
frecuencia para la navegación.
Yohkoh
Usuarios: marinos, guardia costera,
administradores de HF, aviación
comercial y militar
Evento de Protones Solares
Partículas de alta energía
Tiempo de Arribo: de 15 mins a algunas
horas
Duración: varios días
Efectos:
•Carga dieléctrica profunda
•Absorción HF
•Interrupción de señales de baja frecuencia
•Peligro de Radiación
Usuarios: operadores de satélites,
administradores de HF, aviación comercial,
marinos, astronautas...
Eyección de Masa Coronal
Tormenta geomagnética
Tiempo de arribo: 2-3 días
Duración: 1-2 días
Efectos:
Carga superficial en satélites y naves
espaciales
Deriva satelital
Comunicaciones
Navegación
Corrientes Inducidas
Usuarios: Compañías eléctricas,
operadores de satélites, administradores
de HF, FAA, ejército, ……..
Destellos Solares
Rayos X Solares
Efectos de los rayos X solares en la región D
Effect of Solar X-rays on D-Region and HF Propagation.
y en la Propagación de HF
•
D-Re gion Abs orption Product bas e d on GOES X-Ray
Flux (SEC Product)
–
The map shows regions affected by the increased D-region o
i nization resulting
from enhanced x-ray flux during magnitu de X-1 Flare
Solar Flares:
Destellos
Solares:
HF
Absorption
Absorción
HF
Radio Blackout
Bloqueos
de radio
FREQUENCY
(MHz)
15
10
USEAB LE
FREQUENCY
WINDOW
MAXIMUM
USEAB LE
FREQUENCY
5
LOWEST
USEAB LE
FREQUENCY
SHORTWAVE
FADE (SWF)
0
00
06
12
X-RAY EVE NT
18
24
TIME
Propagación de Ondas de Radio
Fort Collins, CO a Cedar Rapids, ID
Intensidad de
la Señal
15
10
5
0
1
1
2
Destellos Solares: Dificultades
con Navegación LORAN
Protones Solares
Rutas Polares
No comunicación
satelital sobre los
87o Norte
Polo Norte
Polar 1
Polar 2
HKG
Polar 3
Polar 4
Chicago
Afectación de Vuelos Transpolares
por la Actividad Solar
10/26/00: Perdida de HF antes de los 75N, cambio de ruta por una nopolar con parada para combustible en Tokyo. Tiempo de Vuelo: de
15:00 a 20:30 horas
11/10/00: Debido a pobre HF, vuelo de CHI a HKG tuvo que utilizar
ruta no-polar con un incremento de tiempo de vuelo de 47 minutos
3/30/01-4/21/01
Un total de 25 vuelos siguieron rutas no óptimas debido a
perturbaciones de HF, incrementando el tiempo de vuelo desde 6 a 48
minutos
¡Peligro de Radiación!
•
Humanos en el Espacio
– Transbordador Espacial, Estación
Espacial Internacional, misiones a Marte
•
Tripulaciones/Pasajeros en vuelos de Gran
Altitud
– El Concorde porta detectores de
radiación
– Los pasajeros pueden recibir una dosis
equivalente a 100 radiografías de tórax
Eyección de Masa Coronal (CME)
Una simple erupción
puede desprender un
billón de toneladas de
material en el viento solar
Puede alcanzar
velocidades de millones
de km por hora
Las partículas energéticas
aceleradas por los
choques causan destellos
brillantes en imágenes (¡y
en el DNA!)
Visiones de CMEs
Impacto en el
Geoespacio
desde tierra
LA AURORA
desde el transbordador espacial
desde el espacio (instrumento)
Imágenes espaciales de disminución del
Oxígeno
Paxton et al. 2001
15
MUF
10
5
0
00
06
12
18
24
Bulto de Composición (modelado)
a)
d)
b)
e)
c)
f)
Disminución Ionosférica
STORM: Modelo
Empírico de
Corrección
Ionosférica
IRI 2000
15
MUF
10
5
0
00
06
12
18
24
Navegación por GPS
•El retardo de la señal del satélite
introduce errores considerables en
la determinación de la posición
usando GPS de frecuencia simple.
FAA Wide Area
Augmentation
System WAAS
(Sistema de
Localización de la
Fuerza Aérea)
Electrodinámica
•Se profundiza la penetración
de campos eléctricos en la zona
ecuatorial.
•Los campos eléctricos de
polarización arrastran plasma
de los anillos de corrientes
hacia el viento solar.
•Surgen enormes gradientes de
plasma.
Fluido
Pesado
Centelleo
Fluido
Ligero
Ionosfera
Inestabilidad del fluido
(inestabilidad Rayleigh-Taylor)
“Burbujas” de Plasma
Tiempo de Vida de Satélites
Tormentas Geomagnéticas. Consecuencias:
•Calentamiento y expansión de la
Atmósfera
•Incremento del arrastre de satélites
•Disminución del tiempo de vida, errores
de posicionamiento, interrupción de los
experimentos
El arrastre orbital de un satélite en la
atmósfera terrestre está relacionado con las
propiedades del satélite y la densidad de la
atmósfera neutral por:
aD = 1/2 (CDA/M)  V2
aD es la aceleración de arrastre
•  es la densidad atmósferica
• A, M, CD y V son respectivamente el área,
masa, coeficiente de arrastre y velocidad del
satélite
CDA/M es el coeficiente balístico.
Efectos de la Densidad Termosférica en Sistemas Operacionales
Seguimiento de Objetos Espaciales
1800
Lt Col Frederick, Space Weather Impacts on Military Operations (May 1996)
1600
índice Ap x 10
1200
1000
800
600
400
200
31-Mar-89
29-Mar-89
27-Mar-89
25-Mar-89
23-Mar-89
21-Mar-89
19-Mar-89
17-Mar-89
15-Mar-89
13-Mar-89
9-Mar-89
11-Mar-89
7-Mar-89
5-Mar-89
3-Mar-89
1-Mar-89
27-Feb-89
25-Feb-89
23-Feb-89
21-Feb-89
19-Feb-89
17-Feb-89
0
15-Feb-89
Esto fue un efecto directo del
incremento del arrastre atmosférico
de los objetos orbitantes, debido a
una fuerte tormenta magnética.
# de objetos espaciales perdidos
13-Feb-89
Durante la tormenta magnética de
Marzo 1989, el DoD perdió
temporalmente el rastro de más de
1000 objetos espaciales por un
período de varios días.
1400
9-Feb-89
11-Feb-89
Seguimiento de Objetos
Espaciales por el Dep. de Defensa
Cargas Superficiales
El Futuro
•
•
•
•
Nuestra sociedad es hoy mucho más dependiente de
la tecnología que en los 90s
El sector de crecimiento más rápido en el mercado de
las comunicaciones está basado en satélites
– Trasmisiones de TV/Radio,
– Telefonía de larga distancia, celulares, Internet,
transacciones financieras
Cambios en tecnología de satélites
– Instrumentos más sensitivos
– Componentes de alto rendimiento
– Menor costo y peso
Humanos en el Espacio
– Más frecuentes y más largas misiones
La predicción y monitoreo del Clima
Espacial será imprescindible en el
futuro para nuestra Sociedad.
Space Environment Center
http://sec.noaa.gov
CTIM
Coupled Thermosphere Ionosphere Model
Modeling the high latitude density structure during
a geomagnetic storm.
Geomagnetic
Storm
•
Hourly maps of ionospheric variability
created from modeled predictions
•
Shows the deviation from the average
quiet condition
•
Can be modified to a number of specific
applications such as GPS position
errors
•
Similar maps of NmF2 can be used to
produce HF propagation predictions
Geomagnetic Storm:
Atmospheric heating and expansion
Increased drag on satellites
Decreased lifetime, pointing errors,
microgravity experiments disrupted
10000
1E-3
GOES XRS
0.1 - 0.8 nm Channel
SOHO SEM
304 Channel
4.5
1E-4
4.0
3.5
1000
100
10
1E-5
ACE SIS
Energetic Protons
1
3.0
09:00
10:00
11:00
Time
12:00
13:00
ACE SIS Proton Channel
5.0
X-Ray Flux (W/m2)
SEM 30.4 nm Flux (x10
10
2
Photons/cm /sec)
5.5
Radiation belt particles intensify:
•Single event upsets (SEU)
•Deep dielectric charging
•Surface charging