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Noticias sobre el Clima Espacial (Space Weather)

Conclusiones de la IV Jornada Técnica sobre Meteorología Espacial en la Escuela Nacional de Protección Civil

Escudo_DGPCE

La jornada técnica celebrada el 24 de marzo de 2015, en la Escuela Nacional de Protección Civil, se organizó por cuarta vez, con objetivos similares a los de años anteriores:

  • Describir la situación actual del conocimiento sobre Amenaza, Vulnerabilidad y Riesgo ante el clima espacial.
  • Analizar los episodios ocurridos durante 2013 y 2014, así como la distribución de alertas efectuadas por los diferentes organismos, en periodos anteriores.
  • Analizar los últimos progresos desarrollados por las instituciones de investigación españolas y europeas sobre sistemas de prevención y alerta ante el desarrollo de tormentas geomagnéticas.
  • Poner en común las experiencias, conocimientos y buenas prácticas en materia de prevención y reducción de riesgos, en el ámbito de las tormentas magnéticas.
  • Conocer y analizar las medidas legislativas aplicadas en otros países y, en su caso, proponer desarrollos legislativos y de planificación que atenúen los posibles daños.

En esta ocasión no estaba contemplada la caída en la atmósfera de objetos, pues se pretendía generar debates sobre la implantación de un servicio de predicción de peligros provenientes de la actividad solar. Por este motivo, la jornada no fue de libre acceso, tal como es costumbre en las jornadas organizadas por Protección Civil, esta se organizó invitando a las instituciones que tuvieran algo que aportar, tanto en la definición científico-técnica de este servicio, como en las necesidades de las diferentes instituciones prestadoras de servicios que pudieran verse afectadas por este peligro.

Durante el desarrollo de la jornada se obtuvo una visión de lo acontecido durante el último año. Además, se han presentado los estudios realizados por distintas instituciones y se han detallado algunos proyectos en desarrollo, cuya finalidad es el establecimiento de sistemas de alerta temprana.

Han participado, tras previa invitación, representantes de distintas instituciones y organismos (Universidades, empresas públicas y privadas, y administración pública). El número de asistentes ha sido del orden de 35 personas provenientes de las administraciones públicas (Local, Autonómica y Estatal), de empresas privadas posiblemente afectadas por el fenómeno y consultoras que trabajan en este tema, en general.

Tras reflexionar sobre los temas tratados en la jornada, las conclusiones a las que se han llegado son:

ÚLTIMOS AVANCES EN LOS SISTEMAS DE VIGILANCIA Y SEGUIMIENTO. DESARROLLO DE SISTEMAS DE ALERTA TEMPRANA:

  1. La evolución de la actividad solar en el periodo Diciembre 2013-Marzo 2015 confirma que el ciclo 24 tiene poca actividad hasta el punto de ser uno de los más débiles de la serie, presenta dos máximos (siendo el segundo más importante que el primero) y ha alcanzado ya su nivel más alto. El valor máximo registrado del índice Kp = 8. Valor máximo en el Observatorio de San Pablo del índice K = 6.
  1. La actividad solar ha producido 17 Fulguraciones Solares de clase X, la mayoría no geoefectivas. La tormenta geomagnética más importante de este periodo ha sido la del 17 de marzo de 2015 (“tormenta del día de San Patricio”).
  1. Los efectos sobre la tecnología han sido reducidos, limitándose casi por completo a alteraciones en la transmisión de ondas electromagnéticas de frecuencia < 20MHz producidas por perturbaciones en la ionosfera.
  1. Ha sido fundamental, en este periodo, el análisis de la importancia que tuvo la tormenta del 22 de julio de 2012 y de la grave amenaza que supuso. Para este análisis, la comunidad científica internacional ha aportado importantes recursos para un mejor estudio de la actividad solar. Particular importancia tiene el lanzamiento del satélite DSCOVR.
  1. También en nuestro país la comunidad científica y las instituciones relacionadas con este tema (Universidades de Alcalá y Complutense, Observatorios del Ebro, San Pablo y El Arenosillo, …) han avanzado notablemente en el conocimiento de la meteorología espacial y en los sistemas para alertar de sus posibles efectos. La puesta en marcha del Servicio Nacional de Meteorología Espacial en diciembre de 2014, y el desarrollo del Sistema SIRPI para alertar de la presencia de una ionosfera perturbada, son dos aportaciones científicas de importante relieve y con un marcado interés práctico. La respuesta de la comunidad científica y de estas instituciones ante la tormenta del día de San Patricio ha sido muy eficiente.

ACTUACIONES Y DESARROLLOS DURANTE LOS ÚLTIMOS AÑOS:

  1. La colaboración entre la Universidad de Alcalá y Red Eléctrica de España ha permitido descubrir un perfil de campo magnético extraordinariamente similar al de la tormenta de Carrington en España. La perturbación fue máxima en Hungría, alcanzando la mitad de intensidad que la registrada en Colaba durante el suceso de Carrington. Esa perturbación registrada en los magnetómetros locales desaparece en los índices utilizados habitualmente por la comunidad científica.
  1. Durante la colaboración UAH-REE se ha diseñado un índice local de perturbación magnética para territorio español que se denomina LDiñ. La corriente inducida registrada por REE hasta el momento en la subestación de Meson do Vento es directamente proporcional a la derivada temporal de dicho índice, permitiendo de esta forma cuantificar la peligrosidad de una perturbación debida a meteorología espacial para España.
  1. Se presenta en la Jornada el primer Servicio de Meteorología espacial español con base científica (SeNMEs), que constituye uno de los entregables del proyecto de investigación “Nuevos retos en la Ciencia de la interacción Sol-Tierra ante las necesidades tecnológicas de la Sociedad actual” subvencionado por el MINECO. SeNMEs se lanza desde la Universidad de Alcalá en colaboración con el Grupo de estudios ionosféricos y sistemas de posicionamiento satelital (GNSS), de la Universidad Complutense. Pronto se incorporarán contribuciones de otras instituciones. SeNMEs ha demostrado su correcto funcionamiento ante la mayor tormenta geomagnética del ciclo solar 24, sucedida el día 17 de marzo de 2015.
  1. Los estudios realizados por el Observatorio del Ebro y Red Eléctrica de España sobre corrientes inducidas geomagnéticamente (GICs) han proporcionado mucha información para el establecimiento del nivel de actividad geomagnética necesaria para que nuestra red se encuentre bajo riesgo. Pero estos estudios no deben caer en saco roto y deben seguirse monitorizando las GICs en determinados transformadores. Hasta ahora, no nos consta ninguna afectación importante, pero la probabilidad de que ocurra un evento de mayor amplitud que los jamás registrados no es nula.
  1. Si queremos mejorar el modelo obtenido para la predicción de las GICs en cada transformador de la red deben tenerse en cuenta las líneas y los transformadores de 220 KV (y quizá también los de 110 KV), y tener en cuenta el perfil y contrastes laterales de conductividad de la tierra. Además, para obtener un modelo correcto, es importante la obtención de los parámetros detallados de la red y su estado en el preciso momento de las tormentas geomagnéticas.
  1. Es necesaria un red nacional de alerta temprana que permita la preparación de las infraestructuras críticas ante un evento Carrington o superior, para ello es necesaria la investigación aplicada y la creación de una red de centros sensores que se extienda más allá de nuestras fronteras con el fin de calibrar los sensores peninsulares. El intercambio de datos y su compartición, así como el establecimiento de protocolos de alarma, son imprescindibles en aras de ganar tiempo.
  1. Las infraestructuras de HF para comunicaciones con los buques en la Mar, han desaparecido en España al confiarse en los satélites, es necesario generar protocolos específicos para alertar de una posible pérdida de satélites de navegación y comunicaciones y conseguir su enlace con tierra a través de la radio de HF y MF convencional.
  1. Los estudios realizados por el Observatorio del Ebro en el ámbito del modelo Internacional de Referencia Ionosférica (IRI) proporcionan una mejora en la predicción del comportamiento ionosférico. Además, se ha conseguido simular satisfactoriamente les efectos causados por eventos severos de meteorología espacial sobre magnitudes ionosféricas clave y predecirlas con cierta antelación. Ello ha de ser un punto de partida para diseñar alertas a los usuarios del modelo para que adopten estrategias de mitigación a dichos efectos.
  1. Como continuación de los trabajo realizados por el Observatorio del Ebro se pretende adaptar las funciones que determinan el modelo climatológico a las condiciones en un determinado momento, para obtener una predicción a corto plazo de la ionosfera más realista que la proporcionada por el modelo climatológico. Además, se debe continuar el estudio de las perturbaciones ionosféricas y modelar el error o afectación que causan en sistemas tecnológicos basados en radiocomunicación y poder adoptar contramedidas adecuadas

Mesa redonda: SOBRE CRITERIOS PARA LA ELABORACIÓN DE UN SISTEMA NACIONAL DE ALERTA:

  1. Como en todos los fenómenos peligrosos, la prevención y la alerta temprana son imprescindibles para mitigar los posibles daños, para ello es necesaria la participación conjunta de todos los implicados, organismos científico técnicos e instituciones afectadas, para confeccionar un procedimiento y crear un sistema de predicción. Con este fin, es necesario que exista contacto entre las empresas y el mundo científico para encontrar correlaciones entre causa y efecto, compartiendo conocimiento e información.
  1. Aunque con las evidentes diferencias, el sistema de alerta temprana de AEMET podría servir de ejemplo en cuanto a que es un sistema comprensible para todos; además, cada fenómeno está categorizado con unos umbrales, hay una zonificación y una resolución temporal.
  1. Es necesario que el sistema de alerta temprana que se establezca funcione 24h/365d, teniendo en cuenta las especificidades de las islas Canarias en este tema. Para procesar los modelos son imprescindibles expertos en esta materia, por lo que parece necesario la creación de un Centro Nacional donde se recogiera y coordinara toda la información disponible, además de integrarse con una posible “Agencia Española del Espacio”.
  1. Para ello, la cantera de los científicos necesita el respaldo de la sociedad y posiblemente las empresas afectadas podrían crear becas para que estos estudios continúen. Es evidente que en la actualidad falta personal formado en estos temas.
  1. Aunque existen mecanismos de cofinanciación Administración-Empresa, es necesario mejorar los procedimientos de colaboración y el Estado tiene que hacer atractiva la inversión en I+D por parte de las empresas. La nueva Ley de Protección Civil probablemente pueda propiciar la creación de un fondo para atender a gastos de prevención.
  1. También es importante la colaboración inter institucional entre organismos científico-técnicos, para ello se debería promocionar el trabajar interconectados. Cuanto mayor conocimiento se tenga menos errores habrá en las predicciones.
  1. Aunque en los temas de predicciones para el sector eléctrico se ha avanzado de forma importante, no se ha desarrollado un método de evaluación de los efectos sobre las comunicaciones de los procesos sucedidos en el Sol y la Ionosfera. El comportamiento en las ondas de radio por debajo de los 30 MHz puede verse afectado críticamente por las tormentas solares.
  1. En Europa hay una gran dependencia de datos de Space Weather, por lo que sería interesante crear grupos de intercambio de datos entre los diferentes actores europeos.
  1. A pesar de la existencia de trabajos sobre biomagnetismo, no se ha podido demostrar que las variaciones en el campo magnético y de las ondas de radio afecten a la salud de las personas, aunque sí se ha visto que las radiaciones ionizantes pueden afectar a las células.

Este encuentro ha propiciado el contacto entre las personas que mejor conocen el fenómeno y algunas empresas que están ajustando sus sistemas tecnológicos con el fin de minimizar los posibles efectos derivados de la actividad solar, y así asegurar el normal funcionamiento de la vida cotidiana.

En el desarrollo de la jornada se ha constatado, como así queda reflejado en estas conclusiones, los avances realizados por los científicos en la identificación de los riesgos, el análisis de previsiones y la mejora en la transmisión de la información, tal y como lo demuestra el hecho que en estos momentos están disponibles en internet, no solo la vigilancia de la ocurrencia de tormentas magnéticas que proporcionan los observatorios geomagnéticos, sino sistemas de vigilancia y predicción que, aunque rudimentario, son el germen de unas predicciones cada vez mas exactas que darán paso, una vez que se correlacionen con los umbrales de las variables y con los daños esperados, al verdadero sistema de alerta útil para el sistema nacional de protección civil.

Como resultado práctico e inmediato de las sesiones se decidió la creación de un grupo de trabajo, bajo la coordinación de la Dirección General de Protección Civil, que proponga modelos de protocolos de avisos así como el desarrollo de instituciones y sistemas que realicen las tareas de aviso previo del fenómeno, tanto a las instituciones capaces de sufrir daños en sus sistemas como a los usuarios finales que sufrirían las interrupciones de los servicios. Este grupo de trabajo puede valorar la necesidad de elaborar una directiva de Protección Civil donde se definan las directrices a seguir para la gestión del riesgo, los modelos de predicción y las alertas.

Fuente: Dirección General de Protección Civil y Emergencias.

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Actividad Solar (por EA3EPH)

Flujo de plasma procedente del Sol (27MAY14, cortesía SDO-NASA)

A lo largo del ciclo solar, la radiación responsable de la formación de la ionosfera así como el número de manchas presentes en el disco solar es diferente, alcanzándose la máxima actividad solar en los años cercanos a la mitad del ciclo.

Los diferentes fenómenos a los que se conoce en conjunto como actividad solar, normalmente están muy ligados entre sí. Entre ellos, por sus efectos en la ionosfera así como en la propagación HF, destacan principalmente las manchas solares, fulguraciones y eyecciones de la
masa coronal.

La manchas solares son regiones más frías y oscuras que aparecen en la fotosfera, constituyen una de las manifestaciones más evidente de los fenómenos de actividad solar y muy frecuentemente se forman en las regiones activas del Sol, “zonas desde donde emergen campos magnéticos muy complejos e intensos”.

En una mancha solar se distinguen dos regiones: una central, más oscura y de menor temperatura llamada umbra que está rodeada de otra zona menos oscura llamada penumbra, alcanzando ocasionalmente la superficie de ésta hasta alrededor del 80% del total de la mancha.

Las manchas solares pueden tener diferentes tamaños, su duración oscila desde alrededor de una hora en las manchas pequeñas o poros, hasta meses en las manchas grandes.

Cuando las manchas solares son pequeñas o no desarrolladas no se diferencian
las dos regiones en las manchas.

Al inicio del ciclo solar las manchas solares aparecen en latitudes altas de ambos hemisferios, durante el ciclo van cambiando su número forma y dimensiones
desplazándose hacia el ecuador, se sitúan en latitudes medias en fechas de máxima actividad y acaban desapareciendo en latitudes bajas al final del ciclo.

Las fulguraciones son fenómenos transitorios de corta duración que se originan
en las regiones activas del Sol. En una fulguración se da gran liberación de energía, principalmente en forma de radiación y en todo el rango de frecuencias, aunque también en forma partículas atómicas y sus efectos son fuertemente perturbadores en la ionosfera y la
propagación HF.

Dado que la radiación solar tarda alrededor de 8 minutos en alcanzar la Tierra, como primer efecto, unos 8 minutos más tarde tras producirse una fulguración y a consecuencia de la radiación liberada, en la zona en que es de día, esa radiación ocasiona un rápido aumento de la ionización principalmente en las regiones más bajas de la ionosfera D y E, lo cual aumenta fuerte o severamente la absorción de las señales de HF, dependiendo en gran parte de la elevación del Sol y durante cortos plazos de tiempo. Alrededor de unos 30 minutos más tarde, las partículas atómicas, principalmenteprotones y neutrones, pueden alcanzar la ionosfera e incrementa la ionización.

En las eyecciones de la masa coronal, el Sol “expulsa” gran cantidad de “materia” y a gran velocidad que altera e incrementa su continuo viento solar. El viento solar es un plasma muy poco denso, su temperatura es muy elevada, depende del nivel de agitación de sus partículas y dependiendo de la actividad solar, su velocidad oscila entre los 250 km/s y los 900 km/s aproximadamente. Dependiendo de su trayectoria y velocidad, el viento solar alcanza el campo magnético de la Tierra incluso hasta poco más de un día después de producirse una eyección de la masa coronal.

Normalmente, el viento solar no logra penetrar en el campo magnético de la Tierra, sino que lo comprime fuertemente en la zona de día dándose todo lo contrario en la zona de noche, donde se expande. El conjunto de ambas zonas “día/noche” se conoce como la magnetosfera terrestre.

El viento solar arrastra consigo el campo magnético del Sol, conocido también como campo magnético interplanetario y dependiendo de su orientación, hay veces que este afecta a la magnetosfera, ocasionando grandes cambios o alteraciones en el plasma de ésta, dando origen a las conocidas tormentas geomagnéticas, las cuales afectan más o menos fuertemente a la ionosfera así como a la propagación HF dependiendo de su nivel o intensidad.

Resumiendo:

Nacen en los extremos,
crecen al desplazarse
se dirigen hacia el centro
siempre desde ambas partes.
Cada una que aparece,
lo primero es registrada
siguiendo su evolución
día a día es observada.
Quizás cuestión de paciencia,
a veces el Sol se enfada
apretando las narices
y hasta cambiando su cara.
Son cambios de su carácter,
su viento y su radiación
afecta a la ionosfera
también la propagación.
Día a día sin cesar,
esos datos son guardados
estando siempre pendientes
de qué es lo que está pasando.

Alonso Mostazo (EA3EPH)

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Planificación de enlaces radio en la banda de HF (Memorial del Arma de Ingenieros nº92)

La Secretaría General Técnica del Ministerio de Defensa acaba de publicar el nº92 del Memorial del Arma de Ingenieros, correspondiente a Julio de 2014, que incluye mi artículo “Planificación de enlaces radio en la banda de HF” en las páginas 29-45.

Las comunicaciones por radio en la banda de HF están experimentando un nuevo auge que en parte se debe a la aparición de nuevos modos de transmisión que facilitan enormemente la tarea de los operadores. No obstante, sigue siendo responsabilidad de los planificadores la elección de las frecuencias más adecuadas para trabajar en cada franja horaria en el transcurso de una operación.

En este artículo se expone una metodología para la planificación de frecuencias en la banda de HF, considerando la topología de la malla, sus parámetros técnicos, las condiciones de propagación ionosférica y las bandas de trabajo en las que existen atribuciones de frecuencias para operar.

Enlace: “Planificación de enlaces radio en la banda de HF”. Memorial del Arma de Ingenieros nº92, pp.29-45 (pdf, 1,8 MB).

Enlace: “Memorial del Arma de Ingenieros nº92″ completo (pdf, 29,3 MB).

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Revistas de interés en Flipboard

Flipboard es una aplicación gratuita para la creación de revistas digitales personalizadas con contenidos de interés disponibles en Internet: blogs, noticias, artículos, papers, presentaciones, vídeos, etc. En mi opinión, Flipboard tiene dos características muy interesantes: por un lado permite, de una forma muy sencilla, agregar rápidamente contenidos dispersos en Internet en una única revista sobre una temática determinada,  lo que a los lectores nos permite ahorrar tiempo navegando en busca de esos contenidos que nos interesen; por otro lado, la aplicación maqueta automáticamente esos contenidos dándoles el aspecto muy profesional de una revista a la que cualquiera puede acceder por web o bien por las aplicaciones disponibles para Android, iOS, Blackberry y Windows Phone.

Recientemente he creado tres revistas que ya están disponibles online y que espero sean de interés:

Clima Espacial en Español

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Space Weather (en inglés)

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 Ciberdefensa, Guerra Electrónica y C4ISR

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La Ionosfera (y IV): Variaciones regulares de la Ionosfera

Cuarta y última entrega de una serie de 4 artículos de Alonso Mostazo Plano (EA3EPH) sobre la ionosfera.

La radiación solar responsable de la formación de la ionosfera es continuamente variable en su intensidad dada la evolución de la actividad solar, así como en los ángulos al alcanzar la ionosfera dado el movimiento de la Tierra. En una u otra fecha, la ionización y recombinación también van cambiando a lo largo del año, en en el que las variaciones regulares de la ionosfera pueden dividirse en: diarias, estacionales, geográficas y cíclicas.

Diarias

Las variaciones diarias son debidas a la continua diferencia de elevación del Sol durante el día por el movimiento de rotación de la Tierra. En éstas, destaca la evolución de la ionosfera en las regiones más bajas D y E que comienzan a formarse en horas cercanas al orto y desaparecen en horas cercanas al ocaso.

Por encima, en las regiones F1 y F2 la ionización es variable a lo largo del día conforme la elevación de Sol es mayor o menor.

Estacionales

Las variaciones estacionales son consecuencia de que la evolución de la ionosfera en una u otra estación del año es diferente durante el día, así como en las noches. En ambos hemisferios, durante los días de primavera/verano, en alturas de la región E, se registran frecuentemente ionizaciones esporádicas.

Por encima de la región E, en horas cercanas al amanecer, comienza a formarse la región F1 en la que la ionización es persistente a lo largo del día, disminuye lentamente conforme la elevación del Sol es menor y desaparece en horas cercanas al ocaso.

Durante las noches, debido a la menor duración de éstas, así como a una recombinación más lenta y menor, la ionización de la región F es mayor.

Durante los días de otoño/invierno en ambos hemisferios, normalmente se alcanza una ionización menor, salvo los días de invierno del hemisferio Norte.

Geográficas

Las variaciones geográficas son debidas al comportamiento de la ionosfera en una u otra latitud de ambos hemisferios. En fechas en las que el Sol se encuentra muy cerca del Ecuador o la declinación es mínima, la ionización es muy parecida desde latitudes altas de ambos hemisferios. Si descendemos desde ambos polos hasta el Ecuador, normalmente la ionización es mayor conforme la latitud es menor, hasta alrededor de los 20ºN /20ºS, donde ésta es máxima.

En latitudes inferiores, donde la radiación del Sol es casi perpendicular durante todo el año, aunque la ionización desciende muy levemente, ésta es muy alta durante el día, se registran fuertes y persistentes ionizaciones esporádicas, así como una recombinación mucho más lenta en la noche.

En las zonas polares de ambos hemisferios, principalmente debido a las tormentas de radiación solar “también conocidas” como eventos de partículas solares o de protones, pueden ionizarse muy fuertemente las zonas más bajas de la ionosfera, afectando severamente a las señales de HF, efecto que se conoce como “Absorción en el Casquete Polar”. Durante las noches de invierno, la ionización es muy baja e incluso insuficiente para devolver a Tierra señales del rango de HF, aunque en latitudes tan altas existen otras
causas de ionización ajenas a la radiación solar.

Cíclicas

A lo largo del ciclo solar la actividad solar es diferente en uno u otro momento, su duración es de alreredor de 11 años, aunque no exactamente, habiéndose registrado ciclos de más o menos duración, así como de mayor o menor actividad solar.

La actividad solar máxima se registra en fechas cercanas a las mitad del ciclo o poco después y, día a día, desde diferentes estaciones de la Tierra se toman medidas del flujo de radiación en diferentes frecuencias. Una de las frecuencias en las que se toma medida es la de 2800 MHz y dado un paralelismo, éste es el que mejor indica el nivel de radiación ultravioleta, responsable de la formación de la ionosfera en las regiones más altas F1 y F2 que hacen posible los comunicados o circuitos HF largos.

Autor: Alonso Mostazo Plano (EA3EPH).

 

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La Ionosfera (III): Estructura de la Ionosfera

Tercera entrega de una serie de 4 artículos de Alonso Mostazo Plano (EA3EPH) sobre la ionosfera.

Aproximadamente a partir de los 65 Km de altura comienza una zona de la atmósfera en la que los diferentes elementos que hay en ella son o están ionizados a causa de la radiación solar principalmente: la ionosfera.

Capas de la atmósfera (Cortesía: NASA Heliophysics: Near-Earth Space Fun Facts).

Conforme se gana altura la ionización es creciente, con cierta variabilidad y hasta alcanzar la altura en la que esa ionización o densidad electrónica es máxima. Aunque desde el rango de HF la ionosfera es aprovechable principalmente desde alrededor de los 95 Km, desde su inicio y hasta la altura en la que alcanza esa máxima densidad electrónica, en la ionosfera se diferencian las siguientes regiones, zonas o capas:

Zona o capa D.

Es la más cercana a la Tierra, en la que mayor presión se da y su altura está comprendida entre los 60 Km y 95 Km aproximadamente. Esta región se forma únicamente durante el día y en ella los rayos X, así como diferentes reacciones fotoquímicas, son los que ionizan principalmente el O2 y el monóxido de nitrógeno NO.

Para las señales de HF, su principal característica es la absorción y aunque ésta afecta principalmente a las frecuencias bajas, dependiendo de determinada actividad solar, hay veces que no sólo afecta también a frecuencias más altas, sino que incluso es la responsable de los conocidos apagones de radio.

Zona o capa E.

También conocida como la capa Kennelly-Heaviside, está situada por encima de la zona D y como ésta, también es diurna. Su altura máxima alcanza alrededor de los 140 Km o “poco más” en horas cercanas al orto/ocaso, su máxima densidad electrónica se mantiene bastante estable a lo largo del día entre los 100 Km y 130 Km aproximadamente y en ella, la radiación ultravioleta así como los rayos X son los que ionizan elementos como el O2, O y NO. Esta zona es la responsable de devolver a Tierra señales oblicuas de HF de hasta
alrededor de los 8 MHz.

Zona o capa F.

También conocida como la capa Appleton, es la más alta, extensa y en la que mayor densidad electrónica se da y ésta se registra muy por debajo de donde acaba la ionosfera. Principalmente en primavera/verano y durante el día se divide en dos capas, “F1 y F2” y en los días de invierno, en horas cercanas al mediodía, hay veces que F1 se
forma o “aparece”, pero durante muy poco tiempo.

En dichas zonas, los principales elementos ionizados son el N2, NO y O en F1, así
como el O y N en F2 y de ello es responsable principalmente la radiación ultravioleta.

La altura mínima de F1 comienza cerca de los 144 km y llega hasta alrededor de los
240 km y por encima de ella, comienza la región F2 que alcanza esa máxima densidad electrónica alrededor de los 350 Km durante el día y con cierta variabilidad.

Al anochecer, la altura en la que comienza la región F, así como en la que alcanza su
máxima densidad electrónica la ionosfera normalmente es mayor y va ascendiendo despacio a lo largo de la noche, alcanzando la máxima densidad electrónica alrededor de los 450 km y aunque la ionosfera aún se extiende a mucha más altura, la ionización o densidad electrónica es menor conforme se asciende y hasta desaparecer.

Debido a la recombinación y principalmente desde horas cercanas al ocaso, la densidad electrónica o ionización va descendiendo y fuertemente en las noches de invierno, en las que incluso en latitudes altas desaparece o es insuficiente para devolver a la Tierra señales del rango de HF.

En las noches de primavera/verano la recombinación es menor, más lenta y aún mucho más en latitudes bajas o ecuatoriales durante todo el año. Las señales oblícuas que son devueltas a Tierra desde la zona F2 son las responsables de comunicados o circuitos HF largos y en latitudes medias, el valor de dichas señales oscila entre los 17 MHz y 35 MHz e incluso superiores, según fechas de baja o alta actividad solar.

Igualmente, en la noche y latitudes medias, dependiendo del nivel de actividad solar, desde la región F son devueltas a Tierra señales que oscilan aproximadamente entre los 10 MHz y 21 MHz.

Autor: Alonso Mostazo Plano (EA3EPH).

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La Ionosfera (II): Formación de la Ionosfera

Segunda entrega de una serie de 4 artículos de Alonso Mostazo Plano (EA3EPH) sobre la ionosfera.

La atmósfera de la Tierra está formada por diversos gases y durante el día, aproximadamente por encima de los 60 Km, la radiación solar en determinadas frecuencias ioniza los elementos que encuentra a su paso, pero además ocurre también el efecto contrario, la recombinación. A partir de esa altura, esa constante oposición entre ionización y recombinación es la que da origen a una variabilidad ya que ambas dependen de la altura, latitud y hora del día.

La ionización es el proceso por el cual un átomo o molécula son desequilibrados, convirtiéndose en portadores de una carga eléctrica positiva al perder uno o más electrones y cargándose positivamente, o bien por ganar uno o más electrones y cargándose negativamente.

La energía necesaria para extraer un electrón de un átomo o molécula es diferente, cuanto más cercano está el electrón al núcleo, mayor es la energía necesaria para extraerlo, por lo que la energía de ionización a menudo se refiere a la energía necesaria para arrancar un electrón de los más externos y dicha energía es diferente para uno u otro elemento, conociéndose como electrón libre aquél que ha sido arrancado del átomo o molécula.

Aurora Boreal fotografiada desde la ISS en 2011

Aurora Boreal fotografiada desde la Estación Espacial Internacional en 2011 (Imagen: NASA)

En la ionosfera son varios elementos los que son ionizados, como el nitrógeno y oxígeno molecular N2 y O2 o el oxígeno monoatómico O, juntos forman una mezcla de partículas cargadas eléctricamente en la que la carga negativa total es igual en módulo a la carga positiva, dicha mezcla se conoce con el nombre de plasma que es un estado de la materia altamente ionizado en el que el número de electrones libres es aproximadamente igual al número de iones positivos y de ello es responsable la radiación ultravioleta en las zonas medias y altas, así como los rayos X en las zonas más bajas.

Debido a que los electrones tienen propiedades para transportar la carga eléctrica y ésta se manifiesta a través de fuerzas de atracción o repulsión, se ocasionan desplazamientos o movimientos que dan origen a corrientes en la ionosfera, pero al estar además bajo el efecto  del campo magnético de la Tierra, así como de la actividad solar, el movimiento de dichas cargas es mucho más complicado.

En general, a lo largo del día se da constantemente una ionización que va en aumento desde  poco antes de amanecer hasta horas cercanas al mediodía “aunque no exactamente” y después comienza a darse mayormente el efecto contrario, la recombinación.

La recombinación es proceso en el que cada átomo o molécula recupera a los electrones, ésta alcanza su máximo a lo largo de la noche, es más rápida en latitudes altas, menor en las  noches de primavera/verano en una u otra latitud y siempre más lenta en latitudes bajas, aunque con diferencias en una u otra fecha.

Además y al margen de la radiación solar, hay un par de “causas” de ionización aprovechables desde la Radioafición:

1/-Al entrar en la atmósfera meteoros y debido al fuerte rozamiento, originan gran desprendimiento de energía que llega a ocasionar ionización en las zonas afectadas, aunque durante muy cortos plazos de tiempo.

2/-Debido a movimientos anormales que a veces realizan los iones, choques de las moléculas del viento neutro dado en la ionosfera, así como la interacción del campo magnético, a veces se ocasionan acumulaciones de iones mayormente en alturas comprendidas entre los 100Km y 140 Km aproximadamente que conocemos como ionización  esporádica, una variación “irregular” de la ionosfera que cambia sus propiedades rápidamente, se da con más frecuencia en primavera/verano en latitudes medias y tiene características de su formación diferentes en latitudes altas, medias y bajas.

En menos letras:

Debido a la radiación,
los elementos son afectados
por diferentes frecuencias
quedan desequilibrados.
Todo es cosa de energías,
hay un constante reajustar
en busca del equilibrio
poco a poco, sin parar.
Mientras tanto esas señales,
unas vienen y otras van
y en una u otra frecuencia
nunca dejan de informar.
Todo depende de todo,
hay continuas variaciones
uno u otro parámetro
va cambiando sus valores.
Todos juntos limitan,
día a día sin cesar
muy despacio y con cuidado
qué frecuencia utilizar.

Autor: Alonso Mostazo Plano (EA3EPH).

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La Ionosfera (I): El Sol y su radiación

Primera entrega de una serie de 4 artículos de Alonso Mostazo Plano (EA3EPH) sobre la ionosfera.

Como sabemos, el Sol es la estrella más cercana a la Tierra, su masa es 332.946 veces superior a la de nuestro planeta, su brillo es consecuencia de las reacciones nucleares que tienen lugar en su denso núcleo, región se extiende aproximadamente hasta 1/4 de su radio, su movimiento de rotación es más rápido en la zona ecuatorial (donde da una vuelta cada 25 días) que en los polos, donde el giro de su masa se produce cada 34 días y su atmósfera se compone de tres capas principales: la fotosfera, la cromosfera y la corona, siendo éstas dos últimas más externas y visibles durante los eclipses de Sol.

La actividad solar varía lentamente y se caracteriza principalmente por la formación de las manchas solares, protuberancias, filamentos en la corona, así como fulguraciones y chorros coronales, fenómenos de actividad que obedecen a leyes de frecuencia, latitud y polaridad magnética, características de los ciclos solares y aunque su duración es aproximadamente de 11 años, se han registrado ciclos de mayor, así como de menor duración.

Imagen del Sol en UV extremo tomada por la sonda Solar Dynamics Observatory en Mayo de 2012 (Cortesía NASA/SDO)

La radiación solar está compuesta por ondas y su análisis puede revelar gran información acerca de las propiedades físicas del Sol, además, en determinadas longitudes de onda, no sólo es la responsable de la formación de la ionosfera, sino que en razón a los cambios que ocasiona en ésta, también afecta fuertemente a la propagación HF y en dicha radiación, además de las ondas de radio, podemos distinguir por su longitud de onda:

  • Rayos X duros, con una longitud de onda inferior a 10 nanometros (nm).
  • Rayos X blandos, con una longitud de onda comprendida entre 10 y 30 nm.
  • Extrema Ultravioleta, con una longitud de onda entre 30 y 120 nm.
  • Ultravioleta, con una longitud de onda entre 120 y 400nm.
  • Visible, con una longitud entre 400 y 700nm.
  • Infrarroja, con una longitud de onda entre 700 nm y 1 mm.

Desde diferentes estaciones de la Tierra, diariamente se toma medida de la radiación solar en determinadas frecuencias y entre ellas del flujo Solar de 2.800 MHz (10,7 cm de longitud de onda) que se considera es el índice que mejor indica la intensidad de la radiación  ultravioleta (principal responsable de la formación de la ionosfera en zonas medias y altas) y el valor de éste es “proporcional” al número de Wolf (número relacionado con la cantidad de manchas presentes en la superficie del Sol), pero dado que los altibajos que se dan en día a día en ese flujo son menores, es por ello una cifra más estable.

A lo largo de un ciclo solar, las manchas solares se desplazan constantemente sobre el disco solar desde latitudes altas a latitudes bajas en ambos hemisferios y cada ciclo sigue una ley de polaridad inversa al anterior, conociéndose como “Constante Solar” a la cantidad total de energía por segundo para todas las longitudes de onda que se recibiría en la parte superior de la atmósfera terrestre cuando la Tierra está situada a su distancia media del Sol, siendo su valor de unos 1.370 W/m2.

La mayor parte de la radiación solar es emitida en la parte visible del espectro y en el infrarrojo cercano al mismo, la radiación ultravioleta es aproximadamente un 1% del total y todas las demás longitudes de onda lo hacen con una pequeñísima fracción de otro 1%.

Autor: Alonso Mostazo Plano (EA3EPH).

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La gran energía del Sol

Reportaje sobre tormentas solares emitido en el espacio “Enfoque” del Telediario de TVE1 en la noche del 28FEB14

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Conclusiones de las III Jornadas Técnicas sobre Meteorología Espacial de la ENPC

La Jornada Técnica celebrada el 26 de noviembre de 2013, en la Escuela Nacional de Protección Civil, se organizó por tercer año consecutivo con objetivos similares a los de años anteriores: “Describir la situación actual del conocimiento sobre Amenaza, Vulnerabilidad y Riesgo ante el clima espacial, la basura espacial y el riesgo de impacto de meteoritos, en España y en el mundo. Analizar los episodios ocurridos durante el año 2012/13 así como la distribución de alertas efectuadas por los diferentes organismos, en periodos anteriores. Analizar los últimos progresos desarrollados por las instituciones de investigación españolas y europeas sobre sistemas de prevención y alerta ante el desarrollo de tormentas geomagnéticas y caída de cuerpos del espacio exterior. Poner en común las experiencias, conocimientos y buenas prácticas en materia de prevención y reducción de riesgos, tanto en el ámbito de las tormentas magnéticas como de los posibles riesgos por impacto de objetos espaciales que entran en la atmósfera. Conocer y analizar las medidas legislativas aplicadas en otros países y, en su caso, proponer desarrollos legislativos y de planificación que atenúen los posibles daños.”

El desarrollo de la jornada permitió obtener una visión general sobre el riesgo y la peligrosidad de los elementos que componen el Clima Espacial, en particular lo acontecido durante el último año. Además, se han presentado los estudios realizados por distintas instituciones y se han detallado algunos proyectos en desarrollo, cuya finalidad es el establecimiento de sistemas de alerta temprana. En estas jornadas, se ha insistido en la necesidad de desarrollar unas adecuadas medidas de actuación y de prevención en caso de emergencia ante los fenómenos derivados de la actividad solar, así como la necesidad de financiación para continuar con las investigaciones punteras que se están realizando por varias instituciones.

Han participado, desde una convocatoria libre, representantes de distintas instituciones y organismos (Universidades, empresas públicas y privadas, y Administración Pública). El número de asistentes ha sido del orden de 80 personas provenientes de las Administraciones Públicas (Local, Autonómica y Estatal), de empresas privadas posiblemente afectadas por el fenómeno y consultoras que trabajan en este tema, en general se ha advertido un aumento, respecto a las jornadas del año anterior, de personas de fuera de Madrid que ha supuesto del orden del 50% de los asistentes.

Tras reflexionar sobre los temas tratados en la jornada, las conclusiones a las que se han llegado son:

ACTUACIONES Y DESARROLLOS DURANTE EL ÚLTIMO AÑO

  1. La actividad geomagnética que se ha registrado desde la celebración de la última jornada, no ha producido el aumento esperado de la actividad solar, por lo que ésta, puede considerarse como moderada. No se ha producido ninguna tormenta geomagnética excepcional. Los valores máximos registrados han sido: Valor máximo del índice Kp = 7; Valor máximo en el Observatorio de San Pablo del índice K = 6.
  2. Dado que las limitaciones de los pronósticos científicos sobre la actividad solar pueden provocar el escepticismo y la desconfianza en algunos sectores de la sociedad, parece conveniente explicar con detalle su contenido y aclarar su verdadero alcance. Puede afirmarse que estas Jornadas han tenido una influencia muy positiva para que la sociedad española avance en el conocimiento de esta amenaza natural. Por ello, quizá sea el momento adecuado para que los conocimientos transmitidos se concreten en normativas, medidas concretas de protección, materiales de divulgación, etc. Existen sectores que, siendo fundamentales para el funcionamiento de la sociedad y pudiendo estar particularmente afectados por los fenómenos adversos de la meteorología espacial, continúan ajenos al problema. El trabajo encaminado a cambiar esta situación se presenta como extremadamente necesario.
  3. Se ha puesto de manifiesto, la posibilidad de disponer de información sobre un número significativo de los principales procesos que acompañan a una tormenta geomagnética, lo que permite analizar separadamente la influencia de cada uno de ellos y abre el camino para análisis predictivos de posibles daños.
  4. El análisis realizado sobre los parámetros característicos de la ionosfera, pone de relieve la gran influencia de los eventos solares sobre la ionosfera. Es fundamental conocer las perturbaciones que se producen debido a los efectos negativos que tienen sobre diversos ámbitos tecnológicos, en concreto, sobre los sistemas de comunicación transionosférica y de posicionamiento satelital.

ÚLTIMOS AVANCES EN LOS SISTEMAS DE VIGILANCIA Y SEGUIMIENTO

  1. El modelo desarrollado por el Observatorio del Ebro para analizar la vulnerabilidad de la red española de transporte eléctrico de alta tensión ante las corrientes inducidas geomagnéticamente, predice campos eléctricos del orden de 0.7 V/Km y corrientes de más de 100 A en los neutros de un determinado autotransformador de esta red. Ese valor podría resultar un tanto sobredimensionado, por la omisión de la información relativa a las redes de 220 y 110 KV conectadas con la de 400 KV, con lo que deberán revisarse los resultados en los autotransformadores. En el período de retorno de 100 años podrían producirse campos eléctricos superiores a 1 V/Km, con lo que Corrientes Inducidas Geomagnéticamente (GICs) de 50-80 A, son escenarios realistas en determinadas estaciones con un único transformador delta – estrella.
  2. La Universidad de Alcalá está realizando estudios de correlación, para conocer si existe relación entre las alteraciones eléctricas que se han producido y las tormentas solares. Los resultados obtenidos hasta ahora, permiten relacionar algunas de estas incidencias con una mayor probabilidad, aunque hay muchas otras que no es posible hacer esa correlación. Además, la Universidad de Alcalá está desarrollando un índice geomagnético español basado en la Sq. (Variaciones diurnas tranquilas). Al estar España localizada en una latitud en la que se puede ver afectada tanto por la variación del nivel de fondo como por el electrojet ecuatorial, complica mucho los estudios. Aún desconocemos el dato de la variación diaria en tiempo real.
  3. Red Eléctrica Española está empezando a instalar redes de medida para el seguimiento de las entidades más importantes y vulnerables. Por lo general, los daños en los transformadores no son inmediatos sino en días posteriores a la tormenta solar.

MEDIDAS DESARROLLADAS PARA LA PROTECCIÓN DE SERVICIOS ESENCIALES

  1. Un conocimiento más profundo del clima espacial, así como su monitorización, ayudaría a aumentar la durabilidad de los satélites, especialmente de sus componentes electrónicos. El impacto que éste tiene en la ionosfera permitiría un mejor modelado de la misma y una mejora en las prestaciones (precisión y disponibilidad) de los sistemas de posicionamiento GNSS.
  2. La monitorización proporcionaría información con antelación que sería de gran ayuda para prevenir daños en los instrumentos, evitar indisponibilidad de los sistemas y evitar excesivas dosis de radiación en los vuelos polares.
  3. Los efectos que ocasiona la meteorología espacial en los vuelos comerciales de largo recorrido que suelen ir a gran altitud (10–13 km), son escasos, además, solo se podrían evitar cancelando los viajes. Existen páginas Web que calculan la radiación aproximada que se puede recibir en dichos vuelos. Para las tripulaciones que reciben mayor dosis, existen protocolos y controles para que los tripulantes no reciban mayor tasa que la establecida.
  4. Si bien, el riesgo que los NEAs (asteroides cercanos a la Tierra por sus siglas en inglés) suponen para la Tierra es bajo y aplicable a escalas de tiempo largas, se ha conseguido establecer, en los últimos años, escalas de riesgo y herramientas de trabajo que permiten determinar el nivel de daño que diferentes cuerpos de este tipo pueden infringir sobre determinadas zonas. Además, se están desarrollando políticas de respuesta global ante este tipo de amenazas y estrategias de mitigación del riesgo.

ESTADO DE LA CUESTIÓN EN EUROPA

  1. Las actividades de Space Situational Awareness (SSA), a nivel europeo, han cobrado una gran relevancia en los últimos años, habiéndose iniciado programas relevantes tanto en la ESA como en la Unión Europea. La tecnología está avanzando significativamente, aunque las infraestructuras existentes en la actualidad sólo permiten ofrecer servicios limitados. Ahora que se están dando pasos para definir futuros sistemas operativos, es el momento para que la comunidad de usuarios transmita sus necesidades. Por otra parte, España tiene un grado de capacitación muy elevado en este campo y debería jugar un papel importante en los sistemas futuros.
  2. En la Space Weather Week, celebrada en Amberes, se presentaron distintos trabajos muy avanzados sobre este fenómeno. Para seguir avanzando en estos campos sería necesario coordinar los esfuerzos de las instituciones que se encuentran trabajando en este tema. Los centros españoles están preparados para ello, pero para conseguirlo necesitan un fuerte apoyo institucional y económico desde la administración.
  3. Aunque el CDTI ha conseguido para los próximos años un presupuesto bastante amplio para seguir avanzando en el proyecto de la SSA, es necesario conseguir presupuesto para Space Weather, y que este no solo recaiga en empresas, sino que también se extienda a instituciones de investigación básica.
  4. Para poder establecer un sistema de alerta de tormentas solares es necesario conocer dónde, cuándo y con cuánta intensidad se va a producir el fenómeno, así como las relaciones entre los valores de las variables predichas y los posibles daños causados, con el fin de poder dar una alerta desde protección civil. De ahí, la necesidad de continuar realizando los estudios previos para llegar a conocer estos datos. No obstante, con el trabajo que se está llevando a cabo, sería interesante iniciar,  próximamente, las actuaciones necesarias para montar este sistema de alerta.

En general, este encuentro ha propiciado el contacto entre las personas que mejor conocen el fenómeno y algunas empresas que están ajustando sus sistemas tecnológicos con el fin de minimizar los posibles efectos derivados de la actividad solar, y así asegurar el normal funcionamiento de la vida cotidiana.

En el desarrollo de la jornada se ha constatado, como así queda reflejado en estas conclusiones, los avances realizados por los científicos en la identificación de los riesgos, el análisis de previsiones y la mejora en la transmisión de la información, tal y como lo demuestra el hecho que en estos momentos están disponibles en Internet, no sólo la vigilancia de la ocurrencia de tormentas magnéticas que proporcionan los observatorios geomagnéticos, sino sistemas de vigilancia y predicción que, aunque rudimentarios, son el germen de unas predicciones cada vez mas exactas que darán paso, una vez que se correlacionen con los umbrales de las variables y con los daños esperados, al verdadero sistema de alerta útil para el Sistema Nacional de Protección Civil.

Durante estas jornadas se hizo la primera prueba de emisión por Internet, mediante vstream, en tiempo real de las ponencias. El resultado fue excelente en audio, aunque sufría retrasos importantes la señal de video, debido probablemente a una falta de disponibilidad de ancho de banda. Es necesario mejorar las condiciones de emisión para poder poner en Internet las discusiones de todas las jornadas que se celebren en la Escuela. El audio de esta jornada se grabó y está disponible en el DVD de las jornadas.

Como resultado práctico e inmediato de las sesiones se decidió la institucionalización de estas jornadas, para lo que la Dirección General de Protección Civil y Emergencias, en colaboración con las entidades que han trabajado en estas jornadas y todos aquellos que quieran unirse, organizarán en años sucesivos nuevas convocatorias de puesta en común de los análisis y datos obtenidos.

Desde la Dirección General de Protección Civil y Emergencias se está contribuyendo a la divulgación de este riesgo, poniendo en contacto instituciones y organismos con competencias en este tema. Ante las demandas planteadas en este foro, la Dirección General de Protección Civil y Emergencias se ofrece como mediadora para organizar grupos de trabajo en los que participen, además de las instituciones y organismos involucrados en este tema, las Protecciones Civiles Autonómicas.

Fuente: Dirección General de Protección Civil y Emergencias. III Jornada Técnica sobre Meteorología Espacial.

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