Aviación y climatología espacial (Space weather)

En aviación siempre hemos oído eso de que la climatología es muy importante, ya que nuestra actividad aeronáutica se desarrolla en la parte baja de la atmósfera (la troposfera), que es donde ocurren los fenómenos meteorológicos. Con el paso del tiempo y la puesta en practica de nuevos sistemas de navegación, comunicaciones y posicionamiento, hemos hecho y (seguiremos haciendo en el futuro) uso del espacio. Este nuevo ambiente que afecta a la aviación, plantea nuevos retos y bastantes problemas que deben de tenerse en cuenta. Por este motivo hoy hablamos de la climatología espacial y de como afecta a la aeronáutica.

El clima espacial es un término genérico que se refiere a las condiciones ambientales en el espacio alrededor de la Tierra y el espacio que separa a esta del Sol. La climatología espacial se ocupa de los procesos dinámicos en el sistema solar-terrestre que pueden dar lugar a efectos sobre la nave espacial, pero que también pueden afectar a la atmósfera, la ionosfera y el campo magnético terrestre , dando lugar a varios otros tipos de efectos sobre las tecnologías humanas.

El tiempo espacial es muy importante en aviación, concretamente para los operadores y fabricantes de aeronaves, aviónica, diseñadores de sistemas, equipos electrónicos y fabricantes de componentes, proveedores de servicios ATM / ANS, explotadores de aeródromos y autoridades competentes que deben encargarse de los efectos de la climatología espacial en dispositivos electrónicos, comunicaciones, navegación y vigilancia, etc. También es muy importante para los seres humanos en general y los sistemas de a bordo cuando se vuela. Los daños causados, teniendo en cuenta su probabilidad de ocurrencia y su impacto social, se clasifican científicamente como de baja frecuencia/alto impacto, es decir:

Tienen un periodo de retorno muy elevado, que no fuerza a la sociedad a disponer de planes de emergencia actualizados.
Tienen grandes probabilidades de tener un acusado impacto social por los daños que pueden causar en sistemas tecnológicos, cada vez más interdependientes.

Los principales motores del clima espacial son los flujos de partículas energéticas cargadas y la radiación electromagnética. Ambos penetran e interactúan con la atmósfera de la Tierra y el campo magnético. Estos contribuyentes al clima espacial se pueden incluso subdividir en otros dos: la radiación solar y la galáctica o cósmica. La siguiente ilustración es un gráfico (no a escala) en el que se representa la radiación solar y galáctica y su interacción con la magnetosfera de la Tierra y la ionosfera. El foco principal que afecta a la tierra es la actividad solar.

La actividad solar tiene un periodo cíclico de 11 años. El ultimo pico de actividad fue en el periodo de 2013 y anteriormente 2001/2002.

Clasificación de acuerdo con la ICAO

Tormenta geomagnética

Son fuertes perturbaciones del campo magnético terrestre creadas por los vientos solares. Pueden afectar negativamente a muchas infraestructuras críticas y pueden crear problemas en sistemas de aviónica. La forma (la topología) de los campos magnéticos terrestres cambia dramáticamente en el transcurso de una de estas tormentas, ya que los sistemas magnéticos cercanos a la tierra tratan de reajustarse y compensar los vientos solares. Las causas de estas tormentas son las CMEs (Coronal Mass Ejections) o erupciones solares de la corona solar y las ondas que estas erupciones forman. Dependiendo de la importancia, estas perturbaciones solares pueden deformar los campos magnéticos terrestres durante varios días.

Tormentas de radiacion solar

Este tipo de tormenta ocurre cuando el sol acelera una gran masa de partículas cargadas (principalmente protones). Estas partículas cargadas bombardean la tierra causando altas dosis de radiación en los humanos. Este bombardeo puede afectar también a los aparatos electrónicos, existiendo una alta probabilidad de que algunos equipos (los más sensibles) se vean seriamente afectados. La magnetosfera terrestre y la atmósfera ofrecen un escudo protector natural mitigando los efectos, pero en el aire, a medida que se asciende la protección disminuye. Esta disminución también ocurre con el cambio de latitud. Cuanto más cerca de los polos menos protección ya que los flujos de magnetismo acaban convergiendo en los polos (magnéticos). El flujo y la dirección de estos campos magnéticos también influye en el nivel de protección. En latitudes cercanas a los polos magnéticos existe una mayor ionización debido precisamente a esa convergencia de las líneas magnéticas.

Apagón de radio

Estos apagones afectan extraordinariamente a las altas frecuencias HF en la banda de 3 a 30 MHz, aunque se pueden apreciar también los efectos en la banda de VHF (30-300 MHz) e incluso en alguna frecuencia superior disminuyendo la calidad de la recepción. Estos efectos son causados por la ionización del aire. Grandes masas de aire que al ser impactadas por las llameadas solares rompen los átomos dejando nubes de electrones libres (esto es la ionización). Suele ocurrir solamente en la parte iluminada de la tierra, mientras que la parte en penumbra (noche) casi no se ve alterada. En áreas de gran densidad de electrones libres el efecto puede ser muy intenso, el 4 de noviembre de 2003 el apagón de la banda de comunicaciones aeronáuticas en HF duró varias horas (vuelos transcontinentales y oceánicos se vieron muy afectados.

Tormentas ionosféricas

Este tipo de tormentas se forman por el impacto de partículas del viento solar y radiación electromagnética. Existe un delicado balance entre la magnetosfera y la ionosfera, con estos flujos solares ambas se ven afectadas.

La NOAA ha establecido varias escalas de severidad para los tres primeros casos comentados aquí, dichas escalas de severidad van de menor a extrema. En la gráfica que se muestra más abajo se pueden ver estos tres fenómenos. Hay que tener en cuenta que en la gráfica se presentan los tres, pero en la naturaleza no tienen por qué coincidir.

Los efectos potenciales en la aviación según la EASA pueden ser varios, dichos efectos pueden dividirse en en dos categorías principales:

Efectos que influyen en los ocupantes de una aeronave.
Efectos que influyen en los sistemas y los servicios.

Con respecto a las personas hay que decir, que en caso de tormentas como las comentadas más arriba, tripulación y pasaje se verá expuesto a mayores dosis de radiación. Las peores rutas para volar esos días son aquellas que crucen o se aproximen a los polos, ya que el escudo protector es más débil en esas áreas. Las personas que se verán más afectadas serían aquellos vuelos ejecutivos que se efectúan en reactores de negocios, que por lo general suelen ascender y mantenerse en crucero cerca de los 45.000 o incluso los 50.000 pies de altura. La autoridad de aviación civil requiere de los operadores un sistema de monitorización de la radiación cósmica tal como se describe en en la legislación aeronautica (EU-OPS 1.390 o en la directiva 96/29 de Euroatom relativa a la radiacion ionizante).

a. Sistemas y Servicios Afectados:

Aviónica
HF comunicación
comunicaciones de baja frecuencia
GPS / GLONASS / WAAS / EGNOS / MSAS
Comunicación Satélites
Los satélites meteorológicos
potencialmente cualquier sistema de a bordo que contiene electrónica dispositivos
Instalaciones ATC / servicios
instalaciones CNS / servicios

Cada uno de los sistemas o servicios anteriores pueden experimentar funcionamiento degradado o pérdida de la función durante los períodos de altos niveles de radiación solar y / o galácticos.

b. Resumen para personas, Sistemas y Servicios:

La siguiente tabla ofrece una visión general de los efectos en personas, servicios y sistemas (sobre la base de una gradación establecida por la Universidad George Washington-Space policy Institute):

Efectos de la radiación cósmica y solar en la sociedad.

La radiación solar y galáctica afecta a toda la sociedad, no sólo a la aviación: sistemas de satélites, redes de energía eléctrica, sistemas de comunicación y navegación pueden verse afectados. Algunos de estos sistemas (por ejemplo, redes eléctricas) están fuera del control de las autoridades de aviación, pero es importante destacar que pueden verse afectadas también.

Los siguientes riesgos no aeronáuticos deben de ser considerados:

Dependencia de sistemas de posicionamiento y tiempo (GNSS).
Dependencia de comunicaciones vía satélite.

La NOAA emite datos públicos indicando los efectos de la radiación solar en sus periodos cíclicos, esto es lo que se muestra en el diagrama que se ve a continuación:

En el diagrama se puede tener una indicación de cuando la tierra puede verse sujeta a un periodo de radiación solar superior a la normal. La gráfica de abajo muestra los ciclos solares desde comienzos de del siglo 20.

Las recomendaciones de la EASA

Los operadores de aeronaves deberían seguir haciendo que sus tripulaciones sean conscientes de este fenómeno y sus posibles efectos. Los operadores deberían también monitorear los sitios web de información sobre previsiones del tiempo solar para garantizar que la comunidad aeronáutica esté al tanto de los altos niveles de radiación Solar y Galáctica.

Los fabricantes de aeronaves, aviónica, diseñadores de sistemas, fabricantes de equipos y componentes, deben seguir trabajando juntos a través de los grupos ya existentes para evaluar los posibles efectos de la radiación solar y galáctica en componentes, sistemas y aeronaves. Los fabricantes deben de hacer un esfuerzo también en diseño para poder proporcionar sistemas que toleren fallos. Proveedores de servicios ATM/ANS, explotadores de aeródromos y las autoridades competentes deberían continuar realizando seminarios entre su personal para hacerles conscientes del fenómeno y los efectos potenciales.

Las agencias de varios países han lanzado satélites y poseen estaciones terrestres para poder intentar prevenir y anticipar los efectos de estas tormentas. En la foto inferior se pueden ver satélites desde órbitas exteriores hasta la superficie con estos sensores especializados.

Con esta recogida de datos se está intentando predecir la ocurrencia de alguno de estos fenómenos a través del sistema de detección rápida ASAP (As soon as possible), al como se muestra en las gráficas que siguen. Recuérdese que la luz del sol tarda en llegar a nosotros unos 8 minutos, no hay mucho tiempo desde que se detecta una erupción solar hasta que nos llegan los efectos y hay que actuar rápido.