El 4 de febrero de 2022, SpaceX lanzó 49 satélites como parte del proyecto de Internet Starlink de Elon Musk, la mayoría de los cuales se quemaron en la atmósfera días después. La causa de esto más que 50 millones de dólares estadounidenses El fallo fue una tormenta geomagnética provocada por el Sol.
Las tormentas geomagnéticas ocurren cuando el clima espacial golpea e interactúa con la Tierra. El clima espacial es causado por fluctuaciones dentro del Sol que lanzan electrones, protones y otras partículas al espacio.
Estudio los peligros que el clima espacial representa para los activos basados en el espacio y cómo los científicos pueden mejorar los modelos y la predicción del clima espacial para protegerse contra estos peligros.
Cuando el clima espacial llega a la Tierra, desencadena muchos procesos complicados que pueden causar muchos problemas a cualquier cosa en órbita. E ingenieros como yo estamos trabajando para comprender mejor estos riesgos y defender los satélites contra ellos.
¿Qué causa el clima espacial?
El Sol siempre está liberando una cantidad constante de partículas cargadas en el espacio. Esto se llama el viento solar. El viento solar también lleva consigo el campo magnético solar.
A veces, las fluctuaciones localizadas en el Sol lanzar ráfagas inusualmente fuertes de partículas en una dirección particular. Si la Tierra se encuentra en el camino del viento solar mejorado generado por uno de estos eventos y es golpeada, se obtiene una tormenta geomagnética.
Las dos causas más comunes de tormentas geomagnéticas son eyecciones de masa coronal – explosiones de plasma desde la superficie del Sol – y viento solar que escapa a través de agujeros coronales – puntos de baja densidad en la atmósfera exterior del Sol.
La velocidad a la que el plasma expulsado o el viento solar llega a la Tierra es un factor importante: cuanto más rápida es la velocidad, más fuerte es la tormenta geomagnética. Normalmente, el viento solar viaja a aproximadamente 900,000 mph (1,4 millones de kilómetros por hora). Pero los eventos solares fuertes pueden liberar vientos hasta cinco veces más rápido.
La tormenta geomagnética más fuerte registrada fue causada por un eyección de masa coronal en septiembre de 1859. Cuando la masa de partículas golpeó la Tierra, provocó sobretensiones eléctricas en las líneas telegráficas que conmocionaron a los operadores y, en algunos casos extremos, en realidad prendió fuego a los instrumentos del telégrafo.
La investigación sugiere que si una tormenta geomagnética de esta magnitud golpeara la Tierra hoy, causaría aproximadamente $ 2 billones en daños.
Un escudo magnético
Las emisiones del Sol, incluido el viento solar, serían increíblemente peligrosas para cualquier forma de vida que tuviera la mala suerte de estar directamente expuesta a ellas. Afortunadamente, el campo magnético de la Tierra hace mucho para proteger a la humanidad.
Lo primero que golpea el viento solar cuando se acerca a la Tierra es la magnetosfera. Esta región que rodea la atmósfera de la Tierra está llena de plasma hecho de electrones e iones. Está dominado por el fuerte campo magnético del planeta. Cuando el viento solar golpea la magnetosfera, transfiere masa, energía e impulso a esta capa.
La magnetosfera puede absorber la mayor parte de la energía del nivel diario del viento solar. Pero durante fuertes tormentas, puede sobrecargarse y transferir el exceso de energía a las capas superiores de la atmósfera terrestre cerca de los polos. Esta redirección de energía a los polos es lo que resultados en fantásticos eventos de aurorapero también provoca cambios en la atmósfera superior que pueden dañar los activos espaciales.
Peligros para lo que está en órbita
Hay algunas formas diferentes en que las tormentas geomagnéticas amenazan a los satélites en órbita que sirven a las personas en tierra todos los días.
Cuando la atmósfera absorbe energía de las tormentas magnéticas, se calienta y se expande hacia arriba. Esta la expansión aumenta significativamente la densidad de la termosfera, la capa de la atmósfera que se extiende desde unas 50 millas (80 kilómetros) hasta aproximadamente 600 millas (1000 km) sobre la superficie de la Tierra. Medios de mayor densidad más arrastre, lo que puede ser un problema para los satélites.
Esta situación es exactamente lo que condujo a la desaparición de los satélites SpaceX Starlink en febrero.
Los satélites Starlink son lanzado por cohetes Falcon 9 en una órbita de baja altitudtípicamente en algún lugar entre 60 y 120 millas (100 y 200 km) sobre la superficie de la Tierra.
Luego, los satélites usan motores a bordo para superar lentamente la fuerza de arrastre y elevarse hasta su altitud final de aproximadamente 350 millas (550 kilómetros).
El último lote de satélites Starlink se encontró con una tormenta geomagnética mientras aún se encontraba en una órbita terrestre muy baja. Sus motores no pudieron superar la arrastre significativamente mayory los satélites comenzaron a caer lentamente hacia la Tierra y finalmente se quemaron en la atmósfera.
El arrastre es solo uno de los peligros que el clima espacial representa para los activos espaciales.
El aumento significativo de electrones de alta energía dentro de la magnetosfera durante fuertes tormentas geomagnéticas significa que más electrones penetrarán el blindaje de una nave espacial y se acumularán dentro de sus componentes electrónicos. Esta acumulación de electrones puede descarga en lo que es básicamente un pequeño rayo y dañar la electrónica.
La radiación penetrante o las partículas cargadas en la magnetosfera, incluso durante tormentas geomagnéticas leves, también pueden alterar la señal de salida de los dispositivos electrónicos. Este fenómeno puede causar errores en cualquier parte del sistema electrónico de una nave espacial, y si el error ocurre en algo crítico, todo el satélite puede fallar.
Los pequeños errores son comunes y generalmente reparables, pero fallas totales, aunque raras, ocurren.
Finalmente, las tormentas geomagnéticas pueden alterar la capacidad de los satélites para comunicarse con la Tierra mediante ondas de radio. Muchas tecnologías de comunicación, como el GPS, por ejemplo, confiar en las ondas de radio. El ambiente siempre distorsiona las ondas de radio en cierta medidapor lo que los ingenieros corrigen esta distorsión al construir sistemas de comunicación.
Pero durante las tormentas geomagnéticas, los cambios en la ionosfera, el equivalente cargado de la termosfera que abarca aproximadamente el mismo rango de altitud, cambiarán la forma en que las ondas de radio viajan a través de ella. Las calibraciones establecidas para una atmósfera tranquila se vuelven incorrectas durante las tormentas geomagnéticas.
Esto, por ejemplo, dificulta el bloqueo de señales GPS y puede desviar el posicionamiento por unos pocos metros. Para muchas industrias (aviación, marítima, robótica, transporte, agricultura, militar y otras), los errores de posicionamiento GPS de unos pocos metros simplemente no son sostenibles. Los sistemas de conducción autónomos también requerirán un posicionamiento preciso.
Cómo protegerse contra el clima espacial
Los satélites son de vital importancia para que gran parte del mundo moderno funcione, y proteger los activos espaciales del clima espacial es una área importante de investigación.
Algunos de los riesgos pueden minimizarse blindaje de la electrónica de la radiación o materiales en desarrollo que son más resistentes a la radiación. Pero no hay tanto blindaje que se pueda hacer frente a un poderosa tormenta geomagnética.
La capacidad de pronosticar tormentas con precisión permitiría salvaguardar de manera preventiva los satélites y otros activos hasta cierto punto apagando los dispositivos electrónicos sensibles o reorientando los satélites para que estén mejor protegidos.
Pero mientras que el modelado y el pronóstico de tormentas geomagnéticas han mejorado significativamente en los últimos años, las proyecciones a menudo son incorrectas.
La Administración Nacional Oceánica y Atmosférica había advertido que, tras una eyección de masa coronal, un era “probable” que ocurriera una tormenta geomagnética el día anterior o el día del lanzamiento de Starlink en febrero. La misión siguió adelante de todos modos.
El Sol es como un niño que a menudo hace berrinches. Es esencial para que la vida continúe, pero su disposición en constante cambio hace que las cosas sean un desafío. 
Piyush MehtaProfesor Asistente de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial, Universidad de Virginia Occidental.
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