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35Revista del Colegio Oficial de Físicos

Elena Saiz Villanueva, Consuelo Cid Tortuero y Yolanda Cerrato Montalbán reportaje

Física y sociedad

¬ Aurora observada en Muonio (Finlandia) el 29 de septiembre de 2007. Sauli Koski

Aunque el Sol parezca un discoamarillo de brillo constante, la reali-dad es muy diferente. En sus estruc-turas magnéticas y el plasma quesostienen se producen esporádica-mente fenómenos explosivos yviolentos, originando distintostipos de fenómenos solares comofulguraciones, prominencias, emi-siones de masa coronal, etc. Enellos se liberan grandes cantida-des de energía (del orden de 1025 J,equivalentes a 40.000 millones debombas atómicas de Hiroshima),partículas (del orden de 1012 kg) ycampo magnético que viajan porel medio interplanetario y queafectan de forma importante alentorno terrestre cuando se diri-gen hacia la Tierra.

Bajo estas condiciones perturba-das se producen cambios impor-tantes en todas las escalas espa-ciales del entorno terrestre:magnetosfera, ionosfera, atmós-fera, etc., y los efectos son detec-

tables también en la superficie.Es lo que se conoce como tor-mentas geomagnéticas, análo-gas a los tornados o huracanesde la meteorología terrestre.

En condiciones de «tiempo encalma» el Sol emite un flujo con-tinuo de partículas cargadas,conocido como viento solar, queinteracciona con el campo mag-nético dipolar terrestre, distorsio-nándolo. La interacción conducea un sistema complicado demovimientos de convección deplasma y corrientes eléctricasque dan lugar a la estructuracompleta que adquiere la mag-netosfera terrestre, en la que pue-den distinguirse diferentes zonas.

Aproximadamente a unos 12radios terrestres (RT) en el ladodiurno se encuentra el primerescudo protector terrestre, el fren-te de choque, que separa la mag-netosfera del medio interplaneta-

rio. Esta distancia se ve modificadadependiendo del grado de activi-dad dentro del ciclo solar (de unos11 años). En el caso de grandes emi-siones de masa solar, puede llegara acercarse hasta una distanciamenor de 6 RT. Esta compresión esconsecuencia del encuentro conun plasma de viento solar que tie-ne mayor presión dinámica(mayor velocidad y densidad) queen condiciones en calma.

Algo más próximos a la Tierra seencuentran los cinturones deradiación de Van Allen, formadospor partículas atrapadas en laslíneas del campo magnético dipo-lar terrestre. Se extienden desdeuna altitud de 1,15 RT (1.000 km)hasta alrededor de 10 RT, zona uti-lizada por las misiones desde órbi-tas bajas hasta órbitas geoesta-cionarias. El cinturón más externo(con un máximo de densidad departículas entre los 4,5 y 5,0 RT)fue descubierto por el físico esta-

El 13 de marzo de 1989 una gran emisión de masa procedente del Sol originó un fallo en la centraleléctrica de Quebec, privando de electricidad a seis millones de personas en Canadá y EE.UU. duran-te más de nueve horas. Ese mismo día, varios satélites de comunicación y defensa fallaron y sus órbi-tas resultaron modificadas. Este hecho, entre otros, ha dado lugar a una nueva línea de investigaciónconocida como «meteorología espacial». Esta disciplina no sólo abarca aspectos científicos y tecnoló-gicos, sino también sociales, y es la encargada de predecir con suficiente antelación cuándo ocurrirány cuán intensos serán los efectos de estas «tormentas del espacio».

LA METEOROLOGÍA ESPACIAL

Aunque el Sol parezca un disco amarillo de brillo constante, la realidad es muy diferente

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La meteorología espacial

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dounidense Van Allen con el lan-zamiento del Explorer 1 en 1958, yel más interno (con máximo dedensidad de partículas a 2 RT) porlas sondas Pioneer 3 y 4. La regióncomprendida entre 2,5 y 3,5 RT seconsidera «zona segura», por loque existe gran número de satéli-tes orbitando en dicha zona delespacio. Sin embargo, como con-secuencia de una emisión solar enmarzo de 1991, la instrumentacióna bordo del satélite CRRES detectóla existencia de un tercer cinturónde radiación ubicado entre los dosanteriores, en el que la densidadde partículas se mantuvo altadurante meses.

Otro elemento importante a teneren cuenta en la magnetosfera es elanillo de corriente. Las partículasde los cinturones, lejos de estar enreposo, experimentan derivas debi-do a las características del campomagnético terrestre, como son elgradiente y la curvatura de las líne-as. Ello hace que los iones y electro-nes deriven en sentidos contrarios,hacia el oeste los primeros y haciael este los segundos, dando lugar auna corriente eléctrica neta conoci-da como corriente del anillo.

La magnetocola, que se encuentraen la zona nocturna de la magne-tosfera, se extiende más allá de los300 RT. En ella se encuentra la lámi-na de plasma o línea neutra. Enesta región, igual que ocurre en elfrente de choque cuando el campomagnético del plasma procedentedel Sol y el terrestre tienen sentidosopuestos, se produce el fenómenode reconexión magnética.

Este fenómeno favorece unaentrada importante de energía yde nuevas partículas a la magne-tosfera, aceleradas hacia el inte-rior por los intensos campos eléc-tricos que se generan. Muchas deestas partículas quedan atrapa-das en los cinturones de radiación,

lo que conlleva un aumento dedensidad de partículas derivantes,por lo que también la corrientedel anillo se ve reforzada.

A muy altas latitudes norte y surse encuentran las zonas más des-protegidas de la magnetosfera,que responden rápidamente a lascondiciones perturbadas del vien-to solar: las cúspides polares. Através de estas «ventanas» laspartículas del viento solar puedenpenetrar directamente a la mag-netosfera hasta altitudes corres-pondientes a la alta atmósfera.Aunque dañinas para las órbitaspolares, tienen su belleza en lasauroras que, siendo habituales aaltas latitudes, durante las tor-mentas geomagnéticas másseveras son observables en latitu-des menores, como sucedió en1909 en Singapur.

Ya en la atmósfera terrestre seencuentra la ionosfera, regióncomprendida entre los 60-80 kmhasta aproximadamente 1.000km por encima de la superficie. Sucarácter fuertemente conductorhace que en ella existan importan-tes sistemas de corrientes como

son los electrojets ecuatorial yauroral. En condiciones perturba-das por esos sucesos solares vio-lentos, su grado de ionizaciónaumenta y se produce un aumen-to importante de dichas corrientes(el electrojet auroral puede llegar amedir del orden de un millón deamperios). El mayor calentamien-to que ello supone produce unaexpansión radial de la ionosfera ensu conjunto. Este hecho puedeperturbar las órbitas de los satéli-tes, pues al encontrarse con unamayor densidad de partículas queen condiciones normales, aumen-ta la resistencia al avance, decele-rándolos e incluso haciendo quepierdan altura en la órbita. En 1979,tras 6 años de funcionamiento, laestación Skylab se desintegrósobre el Océano Índico, presumi-blemente por esta razón.

Finalmente, en la superficie terres-tre aparecen intensas corrienteseléctricas inducidas. Efectivamen-te, los cambios en los sistemas decorrientes, tanto ionosféricascomo magnetosféricas, originancambios en los campos magnéti-cos que generan. Las corrientesinducidas en superficie son el

¬ Esquema tridimensional de la magnetosfera.ESA/Hasegawa


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Los sistemas de comunicaciones y navegación también puedenverse seriamente afectados

resultado de estas variaciones delcampo geomagnético.

Las perturbaciones geomagnéti-cas en la superficie terrestre seregistran mediante magnetóme-tros colocados en observatoriosrepartidos por el globo terrestre. Apartir de dichas medidas se elabo-ran los índices geomagnéticos,como el índice Dst, elaborado por elcentro de Kyoto, que mide la des-viación promedio de la componen-te horizontal del campo magnéticoecuatorial respecto al tiempo encalma. Entre uno y cuatro días des-pués de originarse un suceso en elSol (dependiendo de la velocidaddel viento solar) el índice Dst dismi-nuye acusadamente, alcanzandoun valor mínimo. Posteriormente,aparece una fase de recuperación yvuelta a las condiciones normales.

Efectos de las tormentas geomagnéticas

Son muchos los acontecimientosque han quedado en los registroshistóricos que ponen de manifies-to los efectos que se producencuando los eventos de emisionesde masa solar están conveniente-mente dirigidos hacia la Tierra.Esto, a su vez, pone de manifiestola vulnerabilidad de nuestros sis-temas tecnológicos.

Entre los principales sistemas tec-nológicos con base en tierra afec-tados seriamente por el tiempoespacial se pueden citar los estu-dios geomagnéticos para interpre-

taciones geológicas, las redes eléc-tricas de alta tensión, los gaseo-ductos y oleoductos, los cables detelecomunicación a larga distan-cia e incluso el sistema de señali-zación ferroviario. Mientras que losprimeros están relacionados direc-tamente con la interferencia direc-ta sobre las medidas del campomagnético, los cuatro últimos loestán con los efectos que produ-cen las corrientes inducidas enmateriales conductores.

Los sistemas de comunicaciones ynavegación también pueden ver-se seriamente afectados por loscambios imprevistos de densidadde partículas cargadas de laionosfera, que modifican la fase yamplitud de las ondas electro-magnéticas. Esto origina fluctua-ciones de la intensidad de la señal,distorsión y pérdida gradual depotencia, lo que hace que encasos extremos se pierda la comu-nicación con el satélite. Asimismo,esta degradación de señal causaerrores de posicionamiento en lossistemas de posicionamiento glo-bal (GPS) o en sistemas de nave-gación terrestre por ondas radio.Sin embargo, no todos los satéli-tes se encuentran en el interiorde la magnetosfera. Algunossatélites científicos son diseña-dos para misiones en Marte o laLuna; otros, como SOHO o ACE,que sirven precisamente comocentinelas para detectar la llega-da de emisiones solares a la Tie-rra, tienen órbitas en torno alpunto lagrangiano L1 (punto

estable entre la Tierra y el Sol).Estos satélites no disponen de laprotección que proporciona elfrente de choque, por lo que seven seriamente afectados por lallegada de las partículas energéti-cas procedentes del Sol. Cuandoprotones con energías del ordende varios MeV alcanzan una naveespacial pueden producir degra-dación de los paneles solares(reduciendo el área disponiblepara captar la energía solar) y delos detectores ópticos (haciéndo-los menos eficientes con el tiem-po). Este último aspecto es espe-cialmente importante en misio-nes como la de SOHO, que ha uti-lizado varios años detectores CCDmirando al sol directamente.

Además, las partículas cargadasque alcanzan la nave puedengenerar también descargas eléc-tricas que atraviesan los compo-nentes electrónicos, dañándolos einutilizándolos. Toda esta dosis deradiación ionizante en la vida útil

¬ Gran emisión de masa coronal (CME) obser-vada el 6 de noviembre de 1997. La imagen esuna composición de imágenes procedentes delos instrumentos EIT y LASCO (ambos obser-vando en la región del ultravioleta) embarca-dos en el satélite SOHO. El Sol, en el centro dela imagen, se oculta artificialmente mediantecoronógrafos para producir eclipses artificia-les que permiten observar la corona solar.SOHO/LASCO

En el espacio, los astronautas estánsometidos a dosis potencialmente letalesde radiación


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Las partículas cargadas que alcanzan la nave pueden dañar los componentes electrónicos

del satélite produce degradaciónde los materiales como: corrientesde fuga, ruido en sensores, cam-bios en los tiempos de respuesta,etc., o incluso cambia los coman-dos de software en los computa-dores a bordo de los mismos.

No podemos olvidar tampoco queaunque la atmósfera y magnetos-fera terrestres permiten, en condi-ciones normales, la adecuada pro-tección para los humanos en lasuperficie, sin embargo, en elespacio, los astronautas estánsometidos a dosis potencialmen-te letales de radiación. La penetra-ción de partículas de alta energíaen las células de los tejidos con-duce a cambios cromosomáticosy, potencialmente, cáncer. Si lasdosis de radiación recibidas songrandes, pueden ser fatales deforma inmediata.

Presente y futuro de la meteorología espacial

A día de hoy, la ciencia ha dado res-puesta a muchas incógnitas sobre

el conocimiento de nuestro entor-no más próximo y nuestra relacióncon la estrella de la que depende-mos. Sin embargo, muchos de losdetalles de cómo este ambienteterrestre responde a las variacio-nes en la radiación y el viento solar,y sus implicaciones para loshumanos y la tecnología, perma-necen todavía sin resolver.

A partir de 1994 se toma concien-cia de la necesidad de estudiar losdiferentes aspectos de la meteoro-logía espacial y cómo afectan a lasociedad. Sin embargo, el desarro-llo de modelos teóricos que permi-tan explicar las observaciones enépocas de gran actividad solarestá aún en sus inicios. La ayudaexperimental de que se disponees, por una parte, los observatoriosespaciales permanentes que pro-porcionan medidas continuas delos parámetros del viento solar(velocidad, densidad del plasma,temperatura de los protones) asícomo campo magnético interpla-netario. SOHO, ACE o WIND, en L1,llevan ya varios años proporcio-nando esa información. Los dossatélites gemelos STEREO, lanza-dos en octubre de 2006, preten-den ser un observatorio tridimen-sional del Sol. Por otra parte, demedir los cambios producidos enla magnetosfera terrestre, campomagnético y flujos de partículas,se encargan misiones como Clus-ter, que con cuatro naves forman-do entre sí un tetraedro, cuyas dis-tancias se han ido cambiando des-de su lanzamiento en el año 2000,permite estudiar fenómenos de lamagnetosfera con visión tridi-mensional y a distintas escalasespaciales.

Es necesario continuar e intensifi-car los servicios de alerta y predic-

ción del «tiempo espacial» paradirigir la salud, la seguridad y lasnecesidades comerciales. Elnúmero de satélites con finescomerciales, científicos o militareses cada vez mayor, por lo que esnecesario mejorar el estado depredicción con objeto de minimi-zar las pérdidas económicas yreducir los riesgos. Las misionesencaminadas a tales fines necesi-tan datos en tiempo casi real, conobjeto de permitir a los usuariosde la información tomar la acciónpreventiva apropiada si un eventoes predicho/detectado. Muestrade esta preocupación por parte dela Unión Europea es la existenciade un portal web (http://spacewe-ather.eu) en el que colaboran losdistintos grupos de investigacióneuropeos, suministrando datos,modelos teóricos o sus propiosresultados de predicción, como esel caso de nuestro equipo de laUniversidad de Alcalá.

Para el futuro es fundamentaltambién avanzar en el conoci-miento de los niveles de radia-ción, puesto que el número demisiones espaciales tripuladasirá en aumento. Es importantesaber no sólo la dosis de radia-ción a tolerar por los astronautassino también sus efectos a largoplazo, puesto que en estas misio-nes la exposición a la radiaciónserá mantenida por mucho tiem-po (una misión a Marte, porejemplo, puede durar del ordende dos años).

¬ Imagen generada a partir de los datos proce-dentes del instrumento VIS (Visible ImagingSystem) a bordo del satélite Polar de NASA.Muestra una estimación de la localización,extensión e intensidad de la aurora boreal parael día 16 de julio de 2000. NASA

Elena Saiz, Consuelo Cid y YolandaCerrato son doctoras en Ciencias Físi-cas. Pertenecen al Departamento deFísica y al Grupo de InvestigaciónEspacial de la Universidad de Alcalá.



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