Los satélites GPS están más amenazados por tormentas solares leves que por monstruosas llamaradas solares

El fenómeno meteorológico espacial más intenso de las últimas dos décadas golpeó la órbita de los satélites GPS justo después de un mínimo solar.

Las tormentas solares leves pueden causar problemas más graves a los satélites GPS que los eventos que ocurren una vez cada siglo, según un nuevo estudio.

Las tormentas que surgen del sol crean desafíos para los satélites en la órbita de la Tierra. Los científicos están tratando de comprender mejor estos eventos para ayudar a los operadores a proteger sus naves espaciales. Y a veces encuentran sorpresas.

Un nuevo estudio realizado por investigadores del British Antártico Survey (BAS) descubrió que los satélites en la órbita del Sistema de Posicionamiento Global (GPS) pueden sufrir más por tormentas solares más leves que por los aterradores eventos que causan estragos en las redes eléctricas y de telecomunicaciones de la Tierra.

Nigel Meredith, científico investigador del clima espacial de BAS, y sus colegas analizaron 20 años de datos satelitales y descubrieron que el incidente más desafiante para las naves espaciales GPS de EE. UU., que brindan servicios críticos para muchos sectores, incluidos todo tipo de transporte, banca y extracción de petróleo. - Provino de una tormenta solar menor en 2010, durante una parte tranquila del ciclo de actividad de 11 años del sol. Y el evento meteorológico espacial más importante de la historia reciente, la tormenta de Halloween de 2003, dejó a los satélites GPS que orbitaban a 20.200 kilómetros (12.550 millas) sobre la Tierra prácticamente ilesos.

"A veces la gente piensa que cuando hay una supertormenta, todo va a suceder a la vez. Pero nuestro estudio demuestra que ese no es necesariamente el caso", dijo Meredith a Space.com. "Vimos los mayores flujos [de partículas energéticas del sol] durante lo que, muchos dirían, fue una tormenta benigna".

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Las tormentas solares son causadas por interacciones de las partículas cargadas que forman el viento solar con el campo magnético de la Tierra y la atmósfera de nuestro planeta. El viento solar es una corriente de gas ionizado que gotea constantemente del sol. Durante grandes erupciones de material solar conocidas como eyecciones de masa coronal (CME), el sol arroja enormes cantidades de este viento solar al espacio a la vez.

Las partículas del viento solar están magnetizadas y cuando estas enormes erupciones de plasma golpean las líneas magnéticas de la Tierra con el polo magnético opuesto, desconectan temporalmente el escudo magnético protector del planeta y penetran profundamente en la atmósfera. Las reacciones de las partículas solares con los gases atmosféricos provocan auroras coloridas, pero también inducen corrientes eléctricas que, en el caso de las tormentas más severas, pueden destruir las redes eléctricas y perturbar las redes de telecomunicaciones.

Hay varias formas en que las tormentas solares afectan a los satélites. A medida que las partículas del viento solar se mezclan con las moléculas de aire, por ejemplo, la atmósfera se calienta y se hincha, lo que hace que aumente la densidad de los tenues gases en las capas superiores de la atmósfera. Las naves espaciales en órbita terrestre baja, incluida la Estación Espacial Internacional, de repente experimentan más resistencia y comienzan a perder altitud.

Los satélites a la altura del GPS sufren un efecto diferente del clima espacial. A medida que las poderosas ráfagas de viento solar rompen el campo magnético de la Tierra, las partículas solares cargadas quedan atrapadas detrás de las líneas magnéticas del planeta, inyectando energía adicional en el cinturón de radiación exterior de la Tierra. En esta región, que se extiende entre altitudes de aproximadamente 8.000 millas (13.000 kilómetros) a 28.000 millas (45.000 km), las concentraciones de partículas energéticas son siempre bastante altas. Una tormenta solar con la fuerza adecuada puede calentar considerablemente las cosas, lo que resulta en un aumento dramático en el número de electrones "asesinos", electrones que son tan energéticos que giran alrededor del planeta cada 10 minutos.

"[Estos electrones] tienen una energía muy alta. Pueden penetrar las superficies de los satélites, incrustarse en aislantes y básicamente permanecer allí", dijo Meredith. "Una vez que están en un aislante, la carga puede acumularse con el tiempo y luego puede exceder los niveles de avería. Puede tener una descarga electrostática, que puede dañar los componentes electrónicos".

En algunos casos, los electrones asesinos pueden causar daños irreparables.

Los operadores pueden proteger sus naves espaciales contra estos eventos utilizando tecnologías reforzadas o poniendo los satélites en "modo seguro" de protección, pero eso provoca interrupciones en el servicio. Además, la investigación de Meredith demostró que los electrones asesinos pueden permanecer dentro de los satélites mucho después de que haya pasado la tormenta solar.

"Esa es una de las razones por las que a veces es difícil atribuir anomalías [a las naves espaciales]", dijo Meredith. "La carga puede acumularse y puede llegar al punto en que esté a punto de descomponerse, pero en realidad no se descompone. Y luego, un poco más tarde, podría aparecer un pequeño evento y causar una descarga, aunque por supuesto Por supuesto, la mayor parte de ese cargo habría provenido del evento extremo".

Pero ¿por qué la órbita GPS es relativamente segura durante las tormentas solares más severas? Meredith dijo que cuanto más fuerte es la tormenta, más cerca de la superficie del planeta se acumulan los electrones asesinos. Los eventos más severos, aquellos que ocurren una vez cada 20 o 100 años, empujan la nube de partículas energéticas hacia regiones orbitales inferiores a unas 5.000 millas (8.000 km) sobre la Tierra. Estas regiones son utilizadas, por ejemplo, por algunos satélites de telecomunicaciones, como los de la red O3b.

Connie Dillon, jefa de asuntos públicos del Comando de Operaciones Espaciales de la Fuerza Espacial de EE. UU., que opera la constelación GPS, dijo a Space.com en un correo electrónico que, además de utilizar la mejor tecnología disponible, reforzada y probada en el espacio, la Fuerza Espacial mantiene Las interrupciones del GPS se reducen al mínimo al volar 13 satélites más de los necesarios para un servicio impecable.

"La constelación GPS está nominalmente diseñada y operada con seis planos orbitales, con un mínimo de cuatro satélites por avión", escribió Dillon. "La disposición de 24 ranuras garantiza que los usuarios puedan ver al menos cuatro satélites desde prácticamente cualquier punto del planeta, pero la Fuerza Espacial vuela 37 satélites para mantener la cobertura cuando un satélite de referencia deje de funcionar".

Nunca ha habido "un evento meteorológico solar que haya dañado irreparablemente un satélite GPS", y la Fuerza Espacial confía en que el número de naves espaciales redundantes disponibles transportaría la constelación de importancia crítica incluso durante la tormenta solar más severa, añadió Dillon.

La constelación de navegación y posicionamiento de EE. UU. ha estado al servicio del mundo durante más de 40 años. Sin embargo, es posible que pronto se ponga a prueba, ya que el ciclo solar actual, el 25º desde que comenzaron los registros, se acerca a su máximo. Contrariamente a pronósticos anteriores, la actividad del sol está en camino de alcanzar sus niveles más altos en más de 20 años, y eso significará que más viento solar golpeará el planeta y los satélites en su órbita.

Si bien los satélites de la constelación GPS podrían protegerse del efecto vicioso de los electrones asesinos mediante un diseño minucioso, las señales que estos satélites emiten para permitir a los usuarios en la Tierra conocer su posición aún podrían verse afectadas. Como resultado, las poderosas tormentas solares pueden hacer que los servicios de posicionamiento, especialmente los de alta precisión, como los que se utilizan en la aviación, sean poco fiables.

Las señales del satélite GPS atraviesan la atmósfera terrestre para llegar a los receptores en tierra. En su camino, estos rayos encuentran la ionosfera del planeta, un límite entre la atmósfera y el vacío del espacio exterior a altitudes de 50 a 400 millas (80 a 640 km). Aquí, los finos gases de la atmósfera superior son constantemente azotados por la intensa luz solar, lo que hace que los átomos expulsen electrones, convirtiendo el gas en plasma ionizado. Cuando las erupciones solares y las eyecciones de masa coronal golpean el planeta, la ionosfera se sobrecarga. Sus propiedades cambian, lo que afecta la forma en que las señales de los satélites se propagan a través de esta región.

"Un enlace satelital puede degradarse o perderse por un momento", dijo a Space.com Juha-Pekka Luntama, jefe de clima espacial de la Agencia Espacial Europea (ESA), en una entrevista anterior. "Entonces, si tienes un receptor GPS o GNSS [sistema global de navegación por satélite] y estás mirando tu posición, si tenemos un evento solar, las características de la atmósfera superior cambian, entonces verás un error de navegación".

En el sistema de navegación por satélite de su automóvil, el error puede parecer menor, como la ubicación de un cruce de caminos que se muestra a una docena de pies de distancia, pero los sistemas utilizados por los aviones para ayudar al aterrizaje pueden volverse completamente inútiles.

"Si estás realizando un aterrizaje y de repente tu sistema de navegación tiene fallas, incluso si son de corta duración, no ayuda", dijo Luntama. "Como piloto, le gustaría saber qué está sucediendo. ¿Está fallando su sistema? ¿Alguien está tratando de molestarlo intencionalmente? ¿O es simplemente un ruido de fondo natural?"

En la mayoría de los casos, estas interrupciones son de corta duración y los sistemas vuelven a funcionar en unos pocos minutos. Pero durante las tormentas solares más severas, las perturbaciones pueden durar mucho más.

En febrero de este año, una tormenta solar relativamente leve obligó a los operadores de plataformas petroleras canadienses a suspender la perforación durante varias horas debido a que la tecnología GPS utilizada para posicionar sus brocas mostraba lecturas poco confiables.

"He sido geólogo de pozos durante casi 30 años, y anoche/esta mañana fue la primera vez que suspendimos brevemente las operaciones de perforación debido a una tormenta solar", dijo el geólogo de exploración canadiense Chris Mason en una publicación de Facebook en ese momento. .

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La tormenta que provocó la perturbación de febrero fue la más fuerte en años. Clasificada como tormenta de categoría 3 en la escala de cinco puntos desarrollada por la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica de EE. UU. (NOAA), el evento sorprendió a los meteorólogos ya que se produjo inmediatamente después de dos eyecciones de masa coronal relativamente menores que recibieron un impulso adicional de corrientes de rápido viento solar que fluye desde un agujero coronal, una abertura en el campo magnético del sol.

Estos agujeros coronales son el tipo de fenómeno que podría causar más problemas en la región del GPS, dijo Meredith, ya que producen la intensidad adecuada de viento solar para energizar partículas más alejadas de la Tierra.

El ciclo solar actual alcanzará su punto máximo en 2024 o 2025. Pero eso no significa que los operadores de satélites puedan relajarse dentro de dos años. Se ha documentado que algunos de los agujeros coronales más duraderos aparecen después de un pico del ciclo solar, dijo Meredith.

El estudio fue publicado el 7 de junio en la revista Space Weather.

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Tereza es una periodista de ciencia y tecnología radicada en Londres, aspirante a escritora de ficción y gimnasta aficionada. Originaria de Praga, República Checa, pasó los primeros siete años de su carrera trabajando como reportera, guionista y presentadora de varios programas de televisión de la Televisión Pública Checa. Más tarde hizo una pausa en su carrera para continuar con sus estudios y añadió una Maestría en Ciencias de la Universidad Espacial Internacional, Francia, a su Licenciatura en Periodismo y Maestría en Antropología Cultural de la Universidad Carolina de Praga. Trabajó como reportera en la revista Engineering and Technology, trabajó independientemente para una variedad de publicaciones, incluidas Live Science, Space.com, Professional Engineering, Via Satellite y Space News, y se desempeñó como editora científica de portadas de maternidad en la Agencia Espacial Europea.

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