Resumen ejecutivo del informe “Sistemas de observación del Clima Espacial: capacidades actuales y requisitos para la próxima década” (OSTP, Estados Unidos)

El pasado 26 de abril de 2013, la Oficina de Políticas de Ciencia y Tecnología de la Casa Blanca (OSTP) emitió el informe “Sistemas de observación del Clima Espacial: capacidades actuales y requisitos para la próxima década”, en el que se realiza una evaluación de las capacidades del Gobierno de Estados Unidos para monitorizar y predecir eventos dañinos relacionados con el Clima Espacial y de las posibilidades para mitigar dichos daños durante eventos solares extremos que puedan producirse en el futuro.

En este post se transcribe en español el contenido del resumen ejecutivo de dicho informe.

RESUMEN EJECUTIVO

En el Decreto de Autorización de 2010 de la Administración de Aeronáutica y Espacio de los Estados Unidos (NASA), Sección 809 (ver Apéndice I), se reconoce:

  • la amenaza que los eventos del Clima Espacial supone para los sistemas modernos;
  • los potenciales “impactos significativos sociales, económicos, en la seguridad nacional y en la salud” debidos a afectaciones del Clima Espacial a la red eléctrica, a las operaciones por satélite, a las comunicaciones de las líneas aéreas y a los sistemas de sincronización, posicionamiento y navegación y;
  • el papel fundamental que desempeñan los sistemas de observación del Clima Espacial basados en tierra y en el espacio, a la hora de predecir los eventos relacionados con el mismo.

Además, en dicho Decreto, se encomendó a la Oficina de Políticas de Ciencia y Tecnología de la Casa Blanca (OSTP) la remisión de un informe a los Comités apropiados del Congreso, en el que se detallase lo siguiente:

  • “Fuentes de datos actuales, basadas en el espacio y en tierra, que son necesarias para la predicción del Clima Espacial”.
  • “Sistemas basados en el espacio y en tierra que se requerirán para la recopilación de los datos necesarios para la predicción del Clima Espacial durante los próximos 10 años”.

Como respuesta, el 8 de Abril de 2011 la OSTP solicitó a la Oficina del Coordinador Federal de Servicios Meteorológicos e Investigación de Apoyo (OFCM), liderar la coordinación de una nueva evaluación interagencias, bajo los auspicios del Consejo del Programa Nacional del Clima Espacial (NSWPC), para cumplir los requisitos del Decreto. El 28 de Abril de 2011, el NSWPC constituyó el Grupo de Acción Conjunta JAG/SEGA para realizar una evaluación de los sistemas de observación del Clima Espacial existentes y planificados, así como de los requisitos de sistemas de observación necesarios para apoyar la predicción operativa del Clima Espacial durante los próximos 10 años. El 2 de Agosto de 2011, el JAG presentó los resultados provisionales de su evaluación al NSWPC, con representantes de la OSTP y de la Oficina de Gestión y Presupuestos (OMB) como observadores. El informe se presentó para satisfacer tanto la solicitud realizada por la OSTP como los requisitos del Decreto.

Eyección de masa coronal (CME) registrada el 1 de Mayo de 2013 (NASA/SDO)

El grupo JAG/SEGA consideró los siguientes puntos al definir el ámbito de la evaluación documentada en este informe:

    • Requisitos: proceder a partir de los requisitos documentados actualmente para los servicios operacionales del Clima Espacial.
      • Derivados de los requisitos de observación del Clima Espacial que hayan sido recientemente validados por el Departamento de Defensa (DoD), la Administración Nacional de Océanos y Atmósfera (NOAA) del Departamento de Comercio (DOC) y la NASA; es decir, no se precisó realizar una reevaluación de requisitos.
      • Limitados a los requisitos y sistemas necesarios para conducir servicios y predicciones operativos. No se consideraron requisitos relacionados puramente con la investigación.
      • También se consideraron requerimientos para las observaciones necesarias para el apoyo a misiones espaciales más allá de la órbita geosíncrona terrestre (lunares, interplanetarias, etc).

       

    • Sistemas de Observación: utilizar requisitos existentes de agencias, programas, iniciativas y planes para sistemas de observación y predicción.
      • Se consideraron solamente sistemas existentes o planificados. Los potenciales sistemas futuros más allá de los ya planificados quedaron fuera del ámbito del informe.
      • Se consideraron los sistemas operativos y las plataformas de investigación que puedan tener un uso operativo; no se consideraron sistemas de investigación no aptos para uso operativo.
      • Se tuvieron en consideración los sistemas internacionales capaces de apoyar a las necesidades operativas de los Estados Unidos.

En el grupo JAG/SEGA se incluyeron 25 participantes de 15 organizaciones Federales, representando a la mayoría de partes interesadas del Gobierno de los Estados Unidos. Representando a los dos centros principales de análisis primario operativo y predicción del clima espacial de la Nación, mandos de la Fuerza Aérea de Estados Unidos (USAF) y altos cargos de NOAA ejercieron la presidencia del grupo. Concetrándose en los objetivos específicos contemplados en el Decreto de Autorización de 2010 de la NASA, el grupo identificó los requisitos para la observación del clima espacial a corto y largo plazo necesarios para apoyar a la predicción operativa del mismo.

Aunque que los requisitos sobre observación del clima espacial se centraron en algunos parámetros concretos, el grupo subrayó la importancia de aquellos otros requisitos relacionados con la economía y la seguridad de la Nación. Como ya se indicó en 2008 en el informe Eventos Severos del Clima Espacial, del Consejo Nacional de Investigación (National Research Council), “los daños potenciales resultantes de estas dependencias críticas [de la infraestructura y de los sistemas críticos con el entorno espacial] pueden minimizarse si se dispone de una capacidad robusta para monitorizar, modelar y predecir lo que vaya a suceder en el entorno espacial”. Los impactos potenciales más significativos incluyen a:

  • Red eléctrica: apagones a gran escala y daños permanentes en transformadores, con tiempos de restauración del servicio elevados.
  • Comunicaciones globales por satélite: interrupciones del servicio en grandes zonas, que pueden tener impacto en servicios financieros, de telemedicina, gubernamentales y en Internet, entre muchos otros.
  • Posicionamiento y temporización por GPS: degradación en la precisión de armas militares, en la gestión del tráfico aéreo, transportes, sondeos/construcción/agricultura de precisión, exploración de fuentes de energía, comercio/navegación marítimos, transacciones financieras y telefonía móvil.
  • Satélites y vehículos espaciales: pérdida de satélites y capacidades, pérdida de consciencia situacional en el espacio (incluyendo la detección de acciones hostiles), aumento en la probabilidad de colisiones con basura espacial, degradación en comunicaciones y navegación e incremento en el riesgo para la seguridad de los astronautas.

Lluvia de plasma provocada por una prominencia solar el 19 de Abril de 2013 (NASA/SDO/AIA)

Al evaluar los sistemas de observación del clima espacial existentes y planificados que se necesitan para minimizar los riesgos de estos impactos y cumplir con los requiaitos nacionales, el grupo JAG consideró soluciones basadas en tierra y en el espacio diseñadas específicamente para operaciones, sistemas de investigación que pudieran explotarse para operaciones y otras soluciones nacionales o internacionales que pudieran adaptarse para operaciones. A continuación el grupo enfrentó su recopilación de requisitos al conjunto de sistemas de observación existentes y planificados que pudieran satisfacerlos, realizando un análisis para determinar las carencias principales (“análisis de carencias”).

Al realizar su análisis, el grupo JAG determinó que cualquier requerimiento de observación es una necesidad documentada de medidas del entorno espacial, que están supeditadas al “dominio” del entorno espacial en el que se realizan. Para esta evaluación, los requisitos de observación se categorizaron en los siguientes seis dominios del entorno espacial: Sol/Solar, Heliosfera, Magnetosfera, Auroras, Ionosfera y Atmósfera Superior.

En cada uno de esos seis dominios, se identificaron varios parámetros específicos del entorno, que se evaluaron frente a los requisitos de observación documentados. Aunque el análisis de la capacidad de los sistemas actuales, planificados y potenciales para cumplir requisitos de observación específicos fue crítica para la evaluación, el grupo JAG tomó la iniciativa adicional de asegurar que los resultados finales estuviesen ligados a aplicaciones del mundo real. Específicamente, el JAG mapeó los parámetros de observación de cada uno de los seis dominios a productos de análisis y predicción (predicción en tiempo real o nowcast, a corto plazo y a largo plazo) de los cinco fenómenos clave del clima espacial:

  • Tormentas geomagnéticas: perturbación global del campo geomagnético de la Tierra, resultante de un incremento en la presión del viento solar y del campo magnético interplanetario en el lado de día de la magnetopausa. La ocurrencia de subtormentas dentro de un periodo de tormenta geomagnética puede impactar negativamente en las operaciones de satélites, sistemas de suministro eléctrico, propagación de radio y sistemas de navegación.
  • Apagones de radio: perturbaciones de la ionosfera causadas por emisiones de rayos X desde el Sol, que pueden impactar negativamente en la propagación de las ondas de radio y en los sistemas de navegación.
  • Tormentas de radiación: la radiación provocada por flujos elevados de partículas cargadas puede impactar negativamente en las operaciones de satélites, la propagación de radio y los sistemas de navegación, así como incrementar los riesgos biológicos a seres humanos en vehículos espaciales o en aeronaves a gran altitud.
  • Tormentas ionosféricas: perturbaciones en la ionosfera causadas por grandes incrementos en los flujos de partículas solares y radiación electromagnética, a menudo asociadas con la ocurrencia de tormentas geomagnéticas. Existe un fuerte acoplamiento entre la ionosfera y la magnetosfera, que a menudo provoca que ambas se perturben de forma concurrente. Estas perturbaciones pueden impactar negativamente en las comunicaciones por radio, así como en los sistemas de comunicaciones y navegación por satélite.
  • Rozamiento atmosférico: las colisiones con partículas difusas en el aire (altitudes típicamente inferiores a 2000 km) provocan que los vehículos espaciales ralenticen su velocidad, haciendo que gradualmente desciendan a altitudes inferiores en las que el rozamiento continúa aumentando debido a la densidad atmosférica creciente. Este fenómeno se ve afectado por el clima espacial, ya que la densidad de las partículas del aire responde a la actividad solar, como en el caso de las tormentas magnéticas. Las emisiones solares provocan que la atmósfera alta se caliente y se expanda, lo que causa que el rozamiento aumente a altitudes concretas. Este efecto se incrementa dramáticamente cuando la actividad solar es alta. Si esta actividad solar alta provoca además un incremento de la actividad magnética en la Tierra, se generarán corrientes eléctricas intensas circulando por la atmósfera alta, que también contribuirán a su expansión y calentamiento. Un análisis preciso de los efectos del rozamiento atmosférico puede reducir el error asociado a la determinación de las intersecciones de las órbitas de los satélites con las de otros satélites y con la basura espacial, reduciendo las necesidades de gasto de combustible para la realización de maniobras orbitales y de esta forma extendiendo la vida operativa de los vehículos espaciales.

Evolución del Ciclo Solar 24 desde el lanzamiento del SDO en Mayo de 2010 (NASA/SDO)

Al consolidar los requisitos y considerando la capacidad de los sistemas actuales/planificados para monitorizar los cinco fenómenos clave del clima espacial incluídos en el análisis, quedaron patentes ciertos impactos de alto nivel a varios sistemas clave. La tabla ES-1 (A) ilustra la degradación de la capacidad operacional si varios sistemas clave se pierden debido a fallos de lanzamiento o del propio sistema, recortes presupuestarios u otras razones; en (B) se muestra el sostenimiento de las capacidades actuales en el tiempo si los sistemas clave se mantienen o son reemplazados. Es particularmente digno de atención que la adición de sustituciones programadas o de nuevos sistemas mantiene nuestras capacidades actuales a la vez que proporciona cada vez más mejoras; ninguno de estos sistemas planeados o de sustitución cumple con todos los requisitos de forma aislada. Quizás más importante, esto demuestra la degradación significativa que se produciría en las capacidades actuales si estos sistemas planificados o de sustitución no alcanzasen su estado operacional. En otras palabras, la Nación corre el riesgo de perder capacidades críticas que tendrían un impacto económico y en la seguridad si estos sistemas clave de observación del clima espacial no se mantienen o son reemplazados.

Tabla ES-1 (A). Satisfacción de requisitos por fenómeno. Caso peor.

Tabla EA-1 (B). Satisfacción de requisitos por fenómeno. Caso mejor.

Considerando la dependencia creciente de los sistemas basados o apoyados en el espacio, en la que se han basado gran parte de las facetas de la sociedad moderna, las capacidades de observación y predicción del clima espacial utilizadas para mitigar sus impactos potenciales serán incluso más críticas en el futuro.

Al realizar el estudio de los sistemas de observación del clima espacial actuales y planificados y evaluando sus capacidades para satisfacer los requisitos, el grupo JAG/SEGA llegó a las siguientes conclusiones principales:

  • Actualmente, se utiliza una combinación acertada de sistemas de observación basados en el espacio y en tierra, necesaria para apoyar a los servicios operacionales del clima espacial.
    • El elevado volumen que tiene el entorno espacial implica que incluso con las docenas de sistemas de observación que se utilizan actualmente, todavía se tienen datos de observación limitados para realizar las predicciones del clima espacial.
  • Los sistemas de observación para la investigación proporcionan datos importantes utilizados para el progreso científico; muchos de ellos también proporcionan datos inmediatos y se utilizan para apoyar a los servicios operaciones del clima espacial.
    • Varias misiones de investigación heliofísica de la NASA alcanzarán su fin de vida en los próximos 10 años.
  • Se tiene la intención de programar la sustitución de varios sistemas basados en el espacio de la NOAA y del Departamento de Defensa en los próximos 10 años, si se dispone de financiación.
  • A pesar de que los sistemas basados en tierra de la NOAA, del Departamento de Defensa y de la Inspección Geológica de los Estados Unidos (USGS) son importantes contribuyentes a la misión del clima espacial, su escasa cobertura limita su utilidad para satisfacer requisitos operativos.
  • Diversas capacidades de países extranjeros basadas tanto en el espacio como en tierra se utilizan para ayudar a cumplir las necesidades operativas de los Estados Unidos relacionadas con el clima espacial.
    • Están disponibles en un número cada vez mayor y tienen potencial para usos futuros.
    • A pesar de que las fuentes de datos extranjeras pueden proporcionar capacidades adicionales, los intereses económicos y de seguridad nacional de los Estados Unidos dictan que la Nación no debe depender exclusivamente de recursos extranjeros para conducir la misión crítica del clima espacial.
  • La mayoría de fuentes de datos sin explotar (extranjeras y nacionales) no se utilizan actualmente debido a la falta de accesos inmediatos o fiables, gastos excesivos, restricciones políticas o de seguridad u otras razones prácticas. Así mismo, estas fuentes de datos ofrecen capacidades secundarias que no pueden reemplazar a los sistemas primarios clave. No obstante, muchas de ellas ofrecen un valor añadido que podría mejorar incrementalmente las predicciones y podrían utilizarse cuando sean viables y efectivas en costes.
  • Aún cuando los sistemas de observación basados en el espacio y en tierra son componentes críticos necesarios para satisfacer los requisitos operativos, están inextricablemente enlazados a otras partes de la arquitectura del clima espacial (como modelos y otras capacidades de predicción del clima espacial) y por tanto no deben de considerarse de manera aislada al evaluar nuestra capacidad de satisfacer requisitos.

Sistemas de observación a los que se hace referencia:

    • ACE: Advanced Composition Explorer.
    • COSMIC-2: Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate -2.
    • DMSP: Defense Meteorological Satellite Program.
    • DSCOVR: Deep Space Climate Observatory.
    • GOES-R: Geostationary Operational Environmental Satellites -R.
    • SEON: Solar Electro-Optical Network.
    • SSAEM: Space Situational Awareness Environmental Monitoring.
    • STEREO: Solar Terrestrial Relations Observatory.

Imágenes del Sol no incluídas en el documento original. Cortesía de NASA/SDO y los equipos científicos de AIA, EVE y HMI.

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