La interacción entre las partículas solares y el campo magnético terrestre, como así también los posibles efectos nocivos del clima espacial sobre los aparatos electrónicos, constituyen el objeto de estudio de un grupo de científicos con base en la localidad de São José dos Campos (en el estado de São Paulo) ligados al Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe) de Brasil.

Por Peter Moon | Agência FAPESP

En colaboración con colegas de otras instituciones latinoamericanas, el grupo del Inpe trabaja actualmente en la instalación de la Red Embrace de Magnetómetros (Embrace MagNet) en América del Sur. Se espera que la misma se expanda a más de 20 equipamientos en 2022, distribuidos por toda América Latina.

El objetivo central de la red conformada por estos magnetómetros –instrumentos empleados para la realización de mediciones de intensidad de campos magnéticos– consiste en estudiar particularidades y especificidades de las perturbaciones en el campo magnético sobre América del Sur, determinando su intensidad con relación a lo que sucede en el resto del mundo.

“Este proyecto apunta a estudiar la variación diaria de la dinámica de la alta atmósfera [mesósfera y termósfera] y de la electrodinámica de la ionósfera a bajas latitudes y en la región ecuatorial. Nuestro interés consiste en visualizar la variación del campo magnético terrestre cuando ocurren las explosiones solares y las nubes magnéticas afectan a la Tierra”, dijo Clezio Marcos De Nardin, coordinador general de Ciencias Espaciales y Atmosféricas del Inpe.

De Nardin y sus pares publicaron recientemente en la revista Radio Science, de la American Geophysical Union, dos artículos sobre la Embrace MagNet. En el primero de ellos describen la propuesta y los objetivos científicos de la red, como así también detallan el proyecto, sus equipamientos, su instalación y cómo se lleva a cabo el tratamiento de los datos recabados. En el segundo artículo, los autores revelan los primeros resultados científicos de esta iniciativa.

red clima espacial América del Sur 600x424 Una nueva red investiga el clima espacial sobre América del Sur

Un conjunto de magnetómetros detecta perturbaciones en el campo magnético que pueden causar interferencias en aparatos electrónicos, en sistemas de generación de energía eléctrica y en la navegación de satélites (imagen: Radio Science)

El proyecto, la instalación y el mantenimiento de la Embrace MagNet es una iniciativa internacional con sede en el Inpe y que cuenta con el apoyo de la FAPESP –en el marco de un Proyecto Temático–, el Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq), la Coordinación para el Perfeccionamiento del Personal de Nivel Superior (Capes), la Financiadora de Estudios y Proyectos (Finep) y la Fundación de Apoyo a la Investigación Científica del Estado de Goiás (Fapeg), todas éstas agencias de fomento de Brasil. En Argentina, el proyecto tiene el apoyo del Fondo para la Investigación Científica y Tecnológica (FonCyT), el Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (Conicet) y del área de Programas y Proyectos de Investigación de la Universidad Nacional de Tucumán.

Antes de la creación de Embrace MagNet, los científicos sudamericanos dependían de datos suministrados primordialmente por instituciones de Estados Unidos, Europa y Japón para estudiar las perturbaciones del campo magnético sobre América del Sur.

“Los magnetómetros de aquellas instituciones se encuentran en América del Norte, Australia, Europa y África. Con base en sus datos, cuando escuchábamos que había una perturbación del campo magnético, no sabíamos cuánto la misma incidía sobre Brasil o si podíamos interpretar que lo propio estaba ocurriendo en este sector”, dijo De Nardin.

“Una medición del campo magnético realizada en Canadá, por ejemplo, no es equivalente a una medición realizada en Brasil. Perturbaciones magnéticas no son equivalentes en los hemisferios Norte y Sur. Existen diversas publicaciones en la literatura especializada que muestran que las auroras boreales y australes tampoco son simétricas”, dijo.

Cuando la nube magnética de una tempestad solar interactúa con el campo magnético terrestre, la faceta más visible de esta relación es percibida por los habitantes a través de la formación de auroras boreales y australes en la estratósfera sobre las regiones polares. Si bien las auroras son la cara visible de este fenómeno, las interacciones entre las partículas energizadas provenientes del Sol y el campo magnético terrestre causan perturbaciones por todo el globo.

“En las regiones aurorales, la interacción de la nube magnética con el campo magnético genera un sistema de corrientes a 100 kilómetros de altura que puede dañar equipos instalados en suelo”, dijo Paulo Roberto Fagundes, otro autor de los artículos, participante en la red Embrace MagNet y docente de la Univap, la Universidade do Vale do Paraíba en São José dos Campos.

Las erupciones solares provocan fenómenos importantes en el campo magnético. Éstas lanzan al espacio radiación electromagnética (luz) y cantidades impresionantes de partículas altamente energizadas. Son las llamadas explosiones solares. Son partículas que viajan a velocidades superiores a los dos millones de kilómetros por hora arrojadas desde el Sol que llegan a la Tierra en pocos días, bombardeando el campo magnético que envuelve y protege al planeta.

Los fenómenos solares que llegan a la Tierra tiene capacidad como para provocar interferencias en los sistemas de posicionamiento vía satélite como el GPS. Automóviles, aviones y buques se valen de sistemas de estos sistemas navegación satelital. Dependiendo de su intensidad, una tempestad puede afectar a los satélites de GPS, degradando severamente su operación.

El bombardeo del campo magnético terrestre por el resultado de las erupciones solares puede dañar también los sistemas de teledetección por radares, aparte de inducir corrientes eléctricas en transformadores de líneas de transmisión de energía o afectar la protección gasoductos y oleoductos y provocar enormes pérdidas económicas.

En los casos de las centrales generadoras de energía, las consecuencias pueden ser más graves aún. Cuando la nube magnética solar afecta al campo magnético terrestre y genera las auroras, surgen corrientes eléctricas en suelo. En las cercanías de una central hidroeléctrica, éstas pueden quemar sus transformadores y desconectar las líneas de transmisión de energía, ocasionado apagones, por ejemplo.

Un caso importante como el descrito en el párrafo anterior se produjo el 9 de marzo de 1989, como resultado de una gran explosión solar. Tres días y medio después, el 13 de marzo, un torrente de partículas energizadas y electrones en la ionósfera indujo poderosas corrientes eléctricas en suelo en diversos puntos de América del Norte. En la provincia canadiense de Quebec, dicha corriente quemó los transformadores del sistema de transmisión eléctrica y provocó nueve horas de apagón. Algunos satélites, incluso meteorológicos, perdieron contacto durante varias horas. El trasbordador espacial Discovery se encontraba en el espacio y sufrió desperfectos en sus sensores electrónicos.

“En estudios recientes publicados en la revista Risk Analysis se estima que el impacto en los días actuales de un evento geomagnético como el ocurrido en 1989 provocaría pérdidas globales por valores que se sitúan entre los 2,4 y los 3,4 billones de dólares”, dijo De Nardin.

Se sabe que las centrales hidroeléctricas construidas junto a grandes embalses constituyen blancos en potencial de las corrientes en suelo causadas por las tempestades solares, pues el agua de las represas, además de potenciar la transmisión de la corriente, al pasar por las turbinas de la central la transmite directamente a la casa de máquinas, en donde se encuentran los transformadores.

Una corriente mucho más fuerte, como la que afectó a Quebec en 1989, puede quemar los transformadores de una central. Pero no hace falta que ocurra un evento de tamaña magnitud para dañar los equipamientos. Cualquier tempestad solar causa corrientes en suelo que afectan a los transformadores de las usinas. Por eso dichos aparatos tienen especificaciones de mantenimiento periódico, a los efectos de evitar su completa degradación.

La frecuencia mayor o menor de explosiones solares está directamente relacionada con el ciclo solar (o el ciclo de actividad magnética solar), que muestra la actividad del Sol en intervalos de 11 años.

“Durante los períodos de máxima de actividad solar, la degradación de los transformadores es mayor. Investigaciones publicadas en la IEEE [Institute of Electric and Electronics Engineers] con base en estudios realizados en Sudáfrica indican que, en caso de que no se realice el mantenimiento, los transformadores pueden llegar a explotar”, dijo De Nardin, quien también es vicedirector del International Space Environment Service (ISES), un organismo internacional dedicado a coordinar los esfuerzos mundiales de pronóstico del clima espacial.

El estudio del clima espacial sirve –entre otros motivos– para poder estimar el nivel de estrés al que están sujetos los equipamientos de las generadoras de energía, de las empresas de extracción de petróleo y gas y de las constelaciones de satélites.

Un nuevo índice magnético específico para América del Sur

El análisis de toda de la montaña de datos recabados diariamente por Embrace MagNet sirve de apoyo para el desarrollo de un índice específico denominado Ksa, a cargo de científicos brasileños.

“Nuestra idea es llegar a un índice sudamericano (las letras sa del nombre del índice). Ya sabemos que lo que sucede en el resto del mundo no es igual que lo sucede acá”, dijo De Nardin.

Cuando se encuentre completa, la red estará conformada por 24 magnetómetros instalados en 16 estados brasileños y también en Argentina, Chile y Uruguay. Ya están instalados y en operación 13 de ellos: el más reciente se instaló en el municipio brasileño de Medianeira, sede de un campus de la Universidad Tecnológica Federal de Paraná (UTFPR).

Una nueva capa en la ionósfera

Aparte del estudio del campo magnético realizado con Embrace MagNet, el proyecto del cual la red forma parte también ha generado otro importante descubrimiento científico. “Detectamos la existencia de una cuarta capa en la ionósfera, la denominada capa F”, dijo Fagundes, quien coordina el Proyecto Temático intitulado “Estudio de la variabilidad cotidiana de la mesósfera, la termósfera y ionósfera a bajas latitudes y en la zona ecuatorial durante el ciclo solar 24”.

La ionósfera es una de las capas de la atmósfera terrestre que se caracterizada por contener cargas de iones y electrones, y que se extiende entre los 60 y los 500 kilómetros de altura.

“Conocíamos las capas F1, F2 y F3. Y ahora descubrimos F4. Es la capa exterior. Se ubica por arriba de los 350 kilómetros de altura. Estamos investigando qué es lo que genera esa estructura”, dijo Fagundes.

El artículo intitulado The Embrace Magnetometer Network for South America: Network description and its qualification (doi: https://doi.org/10.1002/2017RS006477), de Denardini, C.M., Chen, S.S., Resende, L.C.A., Moro, J., Bilibio, A.V., Fagundes, P.R., M. A. Gende, M. A. Cabrera, M. J. A. Bolzan, A. L. Padilha, N. J. Schuch, J. L. Hormaechea, L. R. Alves, P. F. Barbosa Neto, P. A. B. Nogueira, G. A. S. Picanço y T. O. Bertollotto, está publicado en: agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/2017RS006477.

Y el artículo The Embrace Magnetometer Network for South America: First scientific results (doi: https://doi.org/10.1002/2018RS006540) se encuentra publicado en el siguiente enlace: agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/2018RS006540.