La batalla que libramos contra el Sol
Científicos españoles trabajan en un sistema de alerta temprana de tormentas solares. La actividad del sol causa problemas en las comunicaciones a diario, con consecuencias en nuestra vida cotidiana. Así se libra la batalla por anticiparse a sus efectos.
Representación del viaje de una eyección de plasma hasta la magnetosfera - Foto NASA
En marzo de 2002, durante la batalla de Takur Ghar, en Afganistán, el ejército de EEUU perdió la comunicación con uno de sus helicópteros MH-47 Chinook que trasladaba marines a la zona de combate. Durante varios minutos, los esfuerzos por comunicar al equipo que se aproximaban a una zona "caliente" fueron infructuosos. Las señales del satélite parecían haberse extinguido. Poco después del amanecer, el helicóptero se estrelló en una zona plagada de talibanes y tres de los marines cayeron abatidos por fuego enemigo.
A pesar de que ha pasado más de una década, lo que pasó aquella mañana durante la "operación Anaconda" sigue teniendo interés para algunos científicos. Un equipo de investigadores de la Universidad Johns Hopkins ha analizado detenidamente los datos obtenidos por varios satélites que sobrevolaron la zona aquel día y su conclusión, publicada en la revista Space Weather, es que los marines pudieron ser víctimas de unaburbuja de plasma, una perturbación de la ionosfera causada por la actividad solar. "Se trata de una anomalía muy frecuente en determinadas latitudes, que afecta muchísimo a las comunicaciones, incluidos los GPS", explica a Next Miguel Herraiz Sarachaga,catedrático de Física de la Tierra de la UCM y especialista en geofísica. "Lo que parece que sucedió", añade, "es que el helicóptero tenía una comunicación en unas frecuencias muy altas (VHF) y cuando se acercó a la zona de combate el rayo de comunicaciones del satélite atravesó una zona de burbuja y tuvo una alteración muy fuerte".
Imagen de las perturbacioens detectadas sobre la zona de combate.La propia ionosfera es una consecuencia de la radiación solar que llega a nuestro planeta. Por decirlo de alguna manera, es la parte de la atmósfera que el sol ha convertido en conductora, una especie de envoltura de electrones situada entre los 80 y los 300 km de altura cuya presencia es fundamental para las comunicaciones. Pero cuando el sol está "agitado", se forman estas zonas de "vacío" llamadas burbujas, y la diferencia de densidad provoca un efecto de rebote en las comunicaciones, el llamado "centelleo". "Es lo que pasaba antes cuando uno oía la radio en AM y de pronto escuchaba un ruido, que luego desaparecía, solo que ahora en frecuencias mucho más altas", asegura Herraiz. "Es porque la ondas electromagnéticas van pasando por zonas de turbulencia".
Perturbaciones a nivel global
Cada burbuja suele durar entre unos minutos y media hora y se reproduce durante una o dos horas en la misma región. Los autores del artículo en Space Weather han desarrollado un modelo operacional llamado MIST que pretende mejorar la predicción en tiempo real de cuáles son las situaciones en que estos fenómenos pueden suceder. "Esto les permitirá saber en qué condiciones y en qué horarios deben planificar las operaciones militares para evitar que suceda lo mismo", explica Herraiz. "Y puede traer una mejora en otros campos en la vida civil, como las comunicaciones en operaciones de salvamento".
Aunque las burbujas de plasma afectan a una zona muy concreta de la Tierra (situada entre los 30 grados al norte y al sur del meridiano magnético), las perturbaciones de la ionosfera por efecto del sol están afectando a las comunicaciones todo el tiempo. En primer lugar alteran la comunicación de los satélites atmosféricos, o a las comunicaciones con la Estación Espacial Internacional (ISS), pero también a los datos que usamos para movernos por la Tierra. "Las alteraciones producidas por un incremento de actividad del sol afectan a todos los sistemas de navegación", asegura Herraiz, "desde la navegación de barcos a la de aviones". De hecho, en aeropuertos como el de Madrid los pilotos cuentan con un sistema de respaldo del GPS que garantiza la seguridad de los aterrizajes y ofrece una segunda señal para saber si la ionosfera les está confundiendo.
Herraiz trabaja en un sistema de información rápida sobre las perturbacioens en la ionosfera.
Por este motivo, el equipo de Miguel Herraiz trabaja en el desarrollo de un sistema de información rápida para advertir de que la ionosfera está perturbada. "Es una manera de avisar a los autoridades y decirles 'oiga, no se fíen de determinadas señales o tengan cuidado'". El sistema se basa en la información recogida en varias estaciones del sur de Europa y del Mediterráneo para comprobar qué variaciones se están produciendo en la ionosfera. "Analizamos los retrasos que la ionosfera está introduciendo en las señales y avisamos si se está comportando de manera anómala", explica el investigador. El sistema está aún en desarrollo y a falta de fijar un canal de comunicación con las autoridades, pero se coordinará con los equipos que tratan de detectar precozmente el verdadero gran problema que deja la ionosfera hecha unos zorros y que puede dejarnos incomunicados durante días: las tormentas solares.
Esperando la tormenta
José Manuel Tordesillas es el jefe de Servicio de Geomagnetismo del Observatorio San Pablo de los Montes, en Toledo. Cada vez que entra en las instalaciones se debe despojar primero de reloj, la cartera, y el teléfono móvil para no perturbar las mediciones de los bariómetros que monitorizan los cambios del campo magnético terrestre. "A veces pasa un vehículo cerca que perturba las mediciones", relata. "Y vemos un saltito en la gráfica, aunque ya sabemos a qué se debe".
Las mediciones del observatorio de San Pablo pueden verse en directo en su web y son una señal indirecta de las perturbaciones inducidas por las tormentas solares en nuestro planeta. El observatorio, en funcionamiento en esta ubicación desde 1981, forma parte de una extensa red dispuesta a lo largo de todo el planeta llamada INTERMAGNET, que registra lo que las perturbaciones provocan en nuestro campo magnético, la señal de que una tormenta solar está teniendo lugar. "El valor que damos es un índice normalizado que llamamos K y lo que miramos es si se producen cambios bruscos", explica Tordesillas a Next. "Cuando supera el valor 4 emitimos una alerta a través del Instituto Geográfico Nacional". En los cinco años que lleva en el observatorio, José Manuel solo ha visto alcanzar un valor de K=6, pero históricamente ha habido varias veces que se ha alcanzado el máximo de 9, durante los eventos más intensos que han sacudido la magnetosfera e interrumpido las comunicaciones.
Datos del Observatorio de San Pablo del 4 de noviembre de 2014."Lo que están haciendo en San Pablo es como sacar la mano y comprobar que llueve", explica Consuelo Cid, investigadora de la Universidad de Alcalá de Henares (UAH). "Lo que nosotros pretendemos hacer es un sistema que te permita predecir si va a "llover" y cuánto tiempo tienes antes de abrir el paraguas". Consuelo es una de las mayores expertas en predicción de tormentas solares y junto con su equipo ha presentado un sistema que podría anticipar la llegada de uno de estos fenómenos hasta con 30 minutos de adelanto. "La ventaja de nuestro sistema es que predice uno de estos eventos solares cuando los sistemas actuales no lo hacen", explica. "Nosotros podemos dar dos señales: una verde, de que no pasa nada que pueda tener consecuencias sobre la superficie de la Tierra, y una roja, de que pasa algo grave".
Anticiparse al Sol
Para entender cómo funciona este sistema hay que explicar antes cómo se produce una tormenta solar y cuáles son los sistemas de detección que empleamos actualmente. La historia comienza en el Sol, donde la actividad en la corona puede causar varios fenómenos, en ocasiones solo una fulguración (emisión intensa de luz que también puede alterar la ionosfera) y a veces una eyección de masa coronal (cuando la estrella lanza un chorro de plasma hacia el medio interestelar), o una combinación de ambas. La diferencia es que la fulguración se desplaza a la velocidad de la luz y tarda unos 8 minutos en llegar a la Tierra, mientras que los protones y electrones del plasma pueden llegar hasta nosotros entre un día y medio y cuatro días después. "Las eyecciones más rápidas que hemos visto venían a unos 2.000 km/s, es decir, se plantan aquí en apenas un día", explica Cid. "Es una velocidad tremenda comparada con el viento solar que nos azota constantemente, que suele viajar a 350 km/s y tarda unos cuatro días".
Representación del satélite ACE, entre la Tierra y el Sol (NASA)¿Qué mecanismos se activan cuando se produce una tormenta solar? Tenemos variossatélites de observación del Sol, pero el más importante en este sentido es la sonda SOHO, que gracias a su coronógrafo nos permite conocer que se ha producido una de estas eyecciones. "Ahí ya tenemos indicios de que algo puede pasar, pero no sabemos si viene hacia aquí", matiza la investigadora. En ese primer momento se pueden analizar las ondas de radio que emite la eyección y si son de tipo 2 o tipo 4 nos da una señal de que hay material que se dirige hacia la Tierra. Para saberlo con seguridad nuestra última línea de defensa es un pequeño satélite llamado ACE, que está situado un poco más allá del límite de la magnetosfera, en la línea Sol-Tierra.
Nuestra última línea de defensa es un pequeño satélite llamado ACE.
"Cuando la tormenta solar golpea a ACE, el satélite nos ofrece datos sobre lo que está pasando con el campo magnético y sobre lavelocidad y densidad del plasma procedente del Sol", explica Cid. "Lo que hemos visto", añade, "es que cuando la tormenta es lo suficientemente potente, el detector de plasma de viento solar se satura y no da señal. Es como si tuvieras una jarra de un litro para medir una tormenta que descarga cinco litros. No te sirve". Por eso el método diseñado por el equipo de la UAH se basa solo en los datos sobre el campo magnético para hacer su predicción, mediante distintos algoritmos.
El precedente más cercano de este tipo de situaciones se dio durante la famosa tormenta solar de Halloween de 2003, que afectó a distintas partes del planeta y dejó fuera de combate hasta catorce estaciones eléctricas de Sudáfrica. "El caso nos interesa especialmente porque Sudáfrica está en la misma latitud magnética que la península ibérica, y a ellos les pilló totalmente desprevenidos". Haciendo una simulación con los datos de aquella tormenta, nos cuenta la científica, su sistema de predicción habría avisado con más de media hora de que se aproximaba un evento muy peligroso para las comunicaciones y sistemas eléctricos.
Efectos en el norte de Europa de las tormentas de halloween de 2003.Cuando nos alcanza una de estas tormentas solares los daños se producen por varios efectos. El primero es que la eyección de plasma empuja la magnetosfera hasta el punto de reducirla radicalmente (puede pasar de tener 10 radios terrestres a solo 4). Esto deja a los satélites momentáneamente "desnudos", sin la capa de protección que les facilita la Tierra, de modo que las partículas del plasma les golpean directamente y en ocasiones ha obligado a los astronautas a refugiarse dentro de la Estación Espacial Internacional. La segunda consecuencia de una tormenta solar con CME es la entrada en la atmósfera de las partículas que provocan daños en objetos conductores muy largos, esto es, cables y oleoductos, donde se produce una corriente extra y repentina por la diferencia de potencial entre sus extremos. "Para que se induzcan grandes corrientes hace falta tener conductores muy largos", explica Cid, "y en España tenemos la ventaja de que las líneas de alta tensión son más bien cortas comparadas con las de EEUU o Canadá".
El sistema de la UAH permitiría anticiparse 30 minutos a los actuales sistemas.
En cualquier caso, ¿qué se puede hacer si se conoce un poco antes que viene una tormenta solar? Seguramente los operadores eléctricos pueden tomar medidas para mitigar daños, explica Consuelo Cid, y las autoridades pueden poner en marcha medidas de protección civil. Según la agencia atmosférica de EEUU (NOAA) hay varios niveles de daño según la intensidad de la tormenta. La más intensa - algo similar al famoso evento Carrington de 1859 - puede dañar centenares de satélites, destrozar estaciones eléctricas y cortar las comunicaciones por radio durante unas decenas de minutos. El servicio extra que aporta el sistema de Cid y su equipo es que permite calcular los tiempos de recuperación del sistematras una de estas tormentas.
Representación de un filamento con la Tierra a escala (NASA)"Somos capaces de calcular el tiempo que queda para que la magnetosfera vuelva al estado de calma", explica. "Lo más interesante es que hemos visto que cuanto más intensa es la tormenta más pronto recuperamos". Hasta hace poco todo el mundo pensaba que el modelo de vuelta a la normalidad era exponencial, pero su equipo demostró que es un modelo hiperbólico (una curva que recupera más deprisa). Esto nos ofrece al menos una esperanza en caso de que una gran tormenta se produzca, ahora hace falta adaptar los protocolos para minimizar los daños que se producirían. “Nosotros daremos la alerta y los demás tendrán que ver qué hacer con ella”, concluye Cid. “Nuestro trabajo, como científicos, es conocer la situación en la que nos movemos y dar los datos para que se tomen decisiones”.
Referencias: Progress toward Forecasting of Space Weather Effects on UHF SATCOM after OPERATION Anaconda (SW) | On extreme geomagnetic storms (Journal of Space Weather and Spcace Climate)| Progress in space weather modeling in an operational environment(SWSC)