Por Tereza Pultarova
30 Abril, 2024
La actividad solar puede desviar la trayectoria de los satélites y aumentar el riesgo de colisión. Los científicos esperan que la mejora de los modelos atmosféricos ayude.
Tzu-Wei Fang siempre recordará el 3 de febrero de 2022. Era un jueves justo después del Día de la Marmota, y Fang, físico nacido en Taiwán, estaba analizando imágenes de satélite de una nube de partículas cargadas que había salido del Sol. Se trataba de una eyección de masa coronal (CME, por sus siglas en inglés), una explosión masiva de plasma magnetizado procedente de la atmósfera superior del Sol. Se parecía a las docenas de CME similares que impactan la Tierra cada año, y que suelen hacerse notar sobre todo a través de hipnotizantes espectáculos de luz polar.
“La CME no era significativa en absoluto”, dice Fang, que había estado analizando los datos recibidos desde su oficina en la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA) en Boulder, Colorado.
Pero cinco días después, Fang se enteró de que la CME no era tan inocua como parecía. Justo cuando la nube de plasma se dirigía hacia el planeta, un cohete Falcon 9 de SpaceX despegaba de una plataforma de lanzamiento del Centro Espacial Kennedy de Florida con 49 nuevos satélites Starlink en su cono de ojiva.
La CME calentó los tenues gases de la atmósfera superior de la Tierra, provocando su hinchazón y empujando hacia arriba las capas inferiores, más densas. Cuando los satélites fueron liberados de su cohete, lucharon contra un medio inesperadamente espeso. Con unos propulsores demasiado débiles para empujarlos a una órbita más alta y segura, 38 de ellos volvieron a la Tierra en espiral.
Los científicos sabían desde hacía tiempo que la actividad solar puede cambiar la densidad de la atmósfera superior, así que el hecho de que esto ocurriera no fue una sorpresa. Pero el incidente de Starlink puso de manifiesto una gran brecha de capacidad: los investigadores no tenían la habilidad de predecir con precisión los tipos de cambios de densidad que produciría una determinada cantidad de actividad solar. Y no tenían una buena forma de trasladar esos cambios a predicciones sobre cómo se verían afectadas las trayectorias de los satélites.
La necesidad de mejorar las predicciones era cada vez más urgente. Un nuevo ciclo solar acababa de empezar a cobrar fuerza tras un prolongado periodo de calma, y el sol estaba escupiendo muchas más erupciones solares y CME que en años anteriores. Al mismo tiempo, el número de satélites en órbita alrededor del planeta se había multiplicado por siete desde el último máximo solar. Los investigadores comprendieron que una potente tormenta solar podría hacer que las condiciones en el espacio cercano a la Tierra fueran tan impredecibles que sería imposible saber si los objetos estaban en curso de colisión. Y eso era preocupante. Un choque frontal entre dos grandes naves espaciales puede crear miles de fragmentos de escombros fuera de control que podrían permanecer en órbita durante años, dificultando aún más la navegación por el espacio.
El evento Starlink resultó ser el catalizador que la comunidad necesitaba. En las semanas siguientes, Fang, que había estado trabajando en un modelo de la alta atmósfera, inició una colaboración con SpaceX para obtener más datos sobre la velocidad y la trayectoria de los miles de satélites de la constelación. Se trata de una fuente de información sin precedentes que está permitiendo a los científicos mejorar sus modelos sobre cómo afecta la actividad solar al medio ambiente en la órbita baja de la Tierra. Al mismo tiempo, otros investigadores están trabajando para conectar mejor este modelo del escaso aire de esta parte de la atmósfera con las trayectorias de los satélites que la atraviesan.
Si Fang y sus colegas lo consiguen, podrán mantener a salvo los satélites incluso en medio de un clima espacial turbulento, reduciendo el riesgo de colisiones orbitales potencialmente catastróficas.
Las CME llevan azotando la Tierra desde el principio de los tiempos. Pero hasta la llegada de la electricidad, sus únicas consecuencias observables eran las espectaculares luces polares.
Esto cambió en 1859 con el evento Carrington, la CME más energética que ha golpeado la Tierra en toda la historia. Cuando ese tsunami de plasma magnetizado golpeó la atmósfera terrestre, perturbó las redes telegráficas de todo el mundo. Los empleados vieron cómo sus equipos despedían chispas y, en algunos casos, recibieron descargas eléctricas.
La era de los satélites sólo ha experimentado hasta ahora una gran tormenta geomagnética. Apodada la tormenta de Halloween porque azotó la Tierra en la última semana de octubre de 2003, la CME afectó a casi el 60% de las misiones espaciales de la NASA en órbita en aquel momento, según una investigación posterior de la NOAA. Una nave espacial japonesa de observación de la Tierra perdió el contacto con la Tierra y nunca lo recuperó, ya que sus componentes electrónicos probablemente se frieron por la avalancha de partículas solares cargadas.
Thomas Berger, actual director del Centro de Tecnología, Investigación y Educación en Meteorología Espacial de la Universidad de Colorado en Boulder (EE UU), era entonces un joven científico especializado en meteorología espacial. Recuerda el murmullo de la gente por perder el rastro de los satélites.
A diferencia de los aviones, los satélites no son observados constantemente por radar en tiempo real. Sus trayectorias probables se calculan con días de antelación, basándose en observaciones repetidas por un puñado de radares espaciales terrestres y sensores ópticos repartidos por todo el planeta. Cuando la meteorología espacial calienta las capas altas de la atmósfera, el aumento de densidad desvía esas predicciones y los operadores pueden tardar un tiempo en volver a encontrar los satélites.
“Tras la tormenta de Halloween de 2003, todo el catálogo de satélites se desvió”, explica Berger. “Hicieron falta tres días de operaciones de emergencia para localizar y volver a rastrear todos esos objetos. Algunos de los satélites estaban decenas de kilómetros por debajo de su órbita habitual y quizá a mil kilómetros de su posición prevista”.
Cuando no sabemos dónde están los satélites -y los fragmentos de basura espacial- es algo más que un inconveniente. Significa que los operadores ya no pueden hacer predicciones sobre posibles colisiones, eventos que no sólo pueden destruir satélites, sino también crear miles de nuevas piezas de basura espacial, creando riesgos en cascada para otros satélites.
Afortunadamente, la tormenta de Halloween pasó sin ningún accidente orbital. Pero la próxima vez, los operadores de satélites pueden no tener tanta suerte.
Muchas cosas han cambiado en el espacio cercano a la Tierra desde 2003. El número de satélites activos que orbitan nuestro planeta ha pasado de 800 en aquel entonces a más de 9.000 en la actualidad, y la órbita terrestre baja es la que ha experimentado un mayor aumento de tráfico. La cantidad de basura espacial también ha crecido. Hace veinte años, la Red de Vigilancia Espacial de Estados Unidos rastreaba unos 11.000 fragmentos de este tipo de basura. Hoy, según la NASA, vigila más de 35.000 objetos. Con tanta basura dando vueltas alrededor de la Tierra, se necesitan muchas más maniobras para evitar colisiones.
Y es sólo cuestión de tiempo que la Tierra sea golpeada por CME mayores. La tormenta de Halloween fue decenas de veces más potente que la “insignificante” que acabó con los satélites Starlink. Sin embargo, sólo tuvo una décima parte de la energía del evento Carrington. El caos orbital -por no hablar de los estragos en tierra- podría ser mucho peor.
Seis meses antes de aquel fatídico Día de la Marmota, Fang había aceptado un puesto en el Centro de Predicción Meteorológica Espacial de la NOAA para trabajar en una nueva simulación de las partes más externas de la atmósfera terrestre.
El modelo en el que trabajaba, el sistema de previsión WAM-IPE (Modelo de la Atmósfera Completa y Electrodinámica de la Plasmasfera Ionosférica), es una ampliación de los modelos que los meteorólogos de la NOAA utilizan para prever el tiempo en la Tierra, pero a mucha mayor altitud.
La mayoría de los satélites en órbita terrestre baja viajan dentro de la segunda capa más alta de la atmósfera, una región llamada termosfera, que está llena de átomos dispersos de oxígeno, nitrógeno y helio. Unas ondas invisibles procedentes de la mesosfera, la capa atmosférica inferior, empujan la termosfera y provocan vientos huracanados. Pero como el aire de la termosfera es tan fino, los satélites que orbitan en ella apenas se dan cuenta. Esto cambia cuando se produce un fenómeno meteorológico espacial. En una hora, la densidad de este aire fino puede multiplicarse varias veces y sus átomos se cargan al chocar con partículas solares energéticas, provocando auroras y corrientes eléctricas.
El modelo WAM-IPE intenta simular los entresijos de estos procesos y predecir sus resultados. “Es mucha física compleja, y aún no la comprendemos del todo”, afirma Fang.
En el momento del incidente de Starlink, el modelo de Fang estaba aún en fase experimental. Aún no se disponía del tipo de mediciones de la alta atmósfera que podrían verificar directamente los cálculos del modelo.
En 2022, sólo dos naves espaciales en órbita eran capaces de proporcionar algunas mediciones básicas de la densidad termosférica. Ni la NOAA ni la NASA tenían prevista ninguna nueva misión que pudiera colmar esas lagunas en un futuro próximo.
Pero SpaceX tenía una solución para el problema de Fang. Los satélites Starlink, aunque no están equipados con instrumentos específicos para medir la densidad atmosférica, llevan receptores GPS para determinar su posición. Durante sus conversaciones, Fang y los ingenieros de Starlink descubrieron que, con algunas matemáticas ingeniosas, podían calcular la densidad atmosférica a partir de los cambios en las trayectorias de los satélites Starlink.
“Es bastante complicado, porque hay que entender muy bien cómo afecta la forma de la nave a su resistencia, pero con eso podemos observar las diferencias de posición, ver cómo cambia y calcular la densidad”, explica Fang.
En aquel momento, había unos 2.000 satélites Starlink en órbita. Y así, donde antes no había datos, Fang dispuso de repente de un recurso abundante al que recurrir y utilizar para asegurarse de que los cálculos del modelo WAM-IPE se ajustaban a la realidad, al menos a la altitud orbital de Starlink. Desde entonces, la constelación ha crecido hasta alcanzar las 5.000 naves espaciales, lo que proporciona una red de mediciones aún más densa.
Fang dice que otros operadores de satélites se han unido a su esfuerzo, proporcionando datos a la NOAA para que el modelo funcione antes de la próxima gran tormenta solar.
“El incidente de Starlink planteó realmente el problema”, afirma. “El sector está en auge y ahora todo el mundo es consciente, y acuden a nosotros y quieren entender el problema. Han sido dos años complicados, y a veces siento que no lo resolvemos lo bastante rápido para ellos”.
En los meses siguientes al incidente de Starlink, otros operadores de naves espaciales empezaron a informar de problemas relacionados con la meteorología espacial. En mayo de 2022, la Agencia Espacial Europea dijo que su constelación de satélites Swarm (Enjambre), que miden el campo magnético alrededor de la Tierra, había estado perdiendo altitud 10 veces más rápido de lo que lo habían hecho durante los 10 años anteriores. En diciembre de 2023, la NASA anunció que su telescopio espacial Neowise, dedicado a la caza de asteroides, volverá a entrar en la atmósfera terrestre a principios de 2025 debido al aumento del arrastre provocado por la actividad solar.
El ciclo solar actual alcanzará su máximo a finales de este año. Pero es probable que el Sol siga lanzando CME y llamaradas solares a un ritmo elevado durante los próximos cinco años, antes de que se estabilice en su mínimo. Durante esos años, el número de satélites en órbita seguirá aumentando. Los analistas prevén que a finales de esta década el número de satélites operativos podría alcanzar los 100.000.
“No es improbable que se produzca una gran tormenta geomagnética en los próximos cuatro o cinco años”, afirma Berger. “Y eso sí que pondrá a prueba todo el asunto”.
El equipo de Berger en Colorado colabora con el de Fang en la NOAA, tratando de encontrar formas de integrar las predicciones del modelo WAM-IPE sobre los cambios en la densidad atmosférica en los cálculos de las órbitas de los satélites.
Como demostró el incidente de Starlink, los operadores no sólo deben preocuparse por las grandes tormentas solares cataclísmicas.
Tereza Pultarova es una periodista independiente de ciencia y tecnología radicada en Londres que se especializa en espacio y sostenibilidad .
http://www.technologyreview.es/s/16301/el-incidente-de-starlink-que-acelero-la-investigacion-de-las-tormentas-solares