Es bien sabido que los fenómenos intensos del clima espacial —que son bastante raros— pueden afectar negativamente al uso de dispositivos que funcionan con el Sistema de Posicionamiento Global (GPS). Sin embargo, nuestra investigación, publicada en Geophysical Research Letters, muestra que otra forma de clima espacial —que ocurre a diario— también puede causar problemas al GPS.
Saber cómo predecir —o pronosticar— estos fenómenos diarios del clima espacial es clave para proteger a las personas y las industrias que dependen del GPS.
La difusión y el uso del GPS han aumentado drásticamente en las últimas décadas, sin duda en parte gracias a la disponibilidad y asequibilidad de los sistemas de navegación por satélite para automóviles y de los teléfonos inteligentes compatibles con GPS.
Pero el uso del GPS en industrias de Australia, como la agricultura, la minería y la construcción, también ha aumentado drásticamente y se espera que impulse la economía del país hasta en 13.700 millones de dólares australianos para 2020.
Este mayor uso y dependencia del GPS en particular ha incrementado la vulnerabilidad de nuestra sociedad al clima espacial. Como se detalla en otros artículos en línea, el clima espacial influye en el uso de numerosas tecnologías y activos espaciales en todo el mundo.
Perturbaciones en la ionosfera
Un fenómeno habitual, aunque mucho menos divulgado, del clima espacial es una perturbación del plasma que se produce durante la noche en la ionosfera terrestre y que se conoce como burbujas de plasma ecuatoriales.
Como su nombre indica, estas perturbaciones ocurren cerca del ecuador magnético, por ejemplo en el Sudeste Asiático y el norte de Australia. En algunos sectores longitudinales, como en toda África, estas burbujas de plasma aparecen casi todas las noches durante todo el año.
El proceso responsable del inicio de estas perturbaciones ionosféricas no implica explosiones energéticas en la superficie del Sol, como las conocidas erupciones solares y las eyecciones de masa coronal. En cambio, las burbujas de plasma son perturbaciones de la ionosfera impulsadas internamente que se producen día tras día.
Tras la puesta del Sol, el plasma de baja densidad electrónica de la ionosfera inferior asciende hacia el plasma de alta densidad electrónica de la ionosfera superior, de manera similar a un fluido ligero que asciende dentro de uno pesado. Este proceso se conoce como la inestabilidad generalizada de Rayleigh-Taylor. Los fuertes gradientes en los bordes de la burbuja generan ondas de plasma o turbulencia.
Una interrupción de la señal
Esta turbulencia dispersa las ondas de radio que la atraviesan, como las señales de radio utilizadas en las comunicaciones por satélite y en el posicionamiento, la sincronización y la navegación del GPS.
En tierra, la señal recibida empieza a fluctuar aleatoriamente en amplitud y fase (un efecto llamado centelleo ionosférico) y el receptor deja de poder reconocerla.
Esto hace que el enlace de radio entre el satélite y tierra se interrumpa por completo con regularidad. Al usar el GPS, esto solo supone un problema real cuando el receptor pierde varios satélites a la vez, algo habitual en lugares cercanos al ecuador magnético debido a estas burbujas de plasma.
Sin embargo, cuando se utiliza un solo satélite, como en las comunicaciones por satélite, perder la sincronización con el satélite principal tiene consecuencias negativas evidentes.
Un estudio reciente investigó el posible impacto de las burbujas de plasma en un episodio en el que se produjeron fallos en las comunicaciones por radio durante un enfrentamiento mortal entre soldados de combate estadounidenses y combatientes talibanes en Afganistán.
Debido al amplio rango de frecuencias de radio afectado por estas perturbaciones del plasma, las aplicaciones afectadas también incluyen otras señales y comunicaciones por satélite; por ejemplo, las comunicaciones celulares por satélite y la transmisión televisiva.
Pronóstico de las burbujas
Actualmente no existe ningún modelo no experimental y de acceso público ni producto en línea que informe a las personas de posibles interrupciones del GPS causadas por las burbujas de plasma. Esto se debe en gran medida a que todavía hay mucho que no entendemos sobre estas perturbaciones.
Desde el punto de vista científico, el comportamiento estacional de las burbujas de plasma se comprende relativamente bien, pero explicar por qué aparecen un día y no al siguiente sigue siendo un desafío importante y vigente de la física ionosférica.
Por ello, un objetivo clave de la investigación en este campo es desarrollar una capacidad fiable para pronosticar a diario el clima espacial, específicamente las burbujas de plasma, de forma similar a los pronósticos tradicionales de «día lluvioso» que ofrecen los meteorólogos.
En nuestro estudio utilizamos un algoritmo de predicción de redes neuronales artificiales (ANN), un programa de autoaprendizaje que se entrena con un conjunto de datos determinado compuesto por varios parámetros.
En este caso, esos parámetros eran varias magnitudes del viento solar medidas por la nave espacial Advanced Composition Explorer , situada en el punto de Lagrange L1 entre el Sol y la Tierra. El algoritmo utilizó estos datos para predecir el nivel de actividad geomagnética resultante del viento solar medido.
Combinamos los resultados de este algoritmo de predicción con modelos de la alta atmósfera basados en la física para intentar predecir el inicio de estas perturbaciones.
Logramos demostrar una precisión de hasta el 95 % en la predicción de las burbujas de plasma, lo que podría dar a cualquier persona afectada por el centelleo ionosférico varias horas de aviso sobre posibles interrupciones. Con estos pronósticos, las personas y las industrias que dependen del GPS podrán planificar y tener en cuenta estas interrupciones antes de que ocurran.
Cierta actividad geomagnética es útil para el GPS
Nuestros resultados también mostraron que las tormentas geomagnéticas habituales y de baja intensidad, asociadas con perturbaciones del plasma provenientes de la superficie del Sol, pueden impedir eficazmente que las burbujas de plasma ecuatoriales crezcan y causen interrupciones del GPS.
Esto es importante porque durante las temporadas de mayor actividad de las burbujas (de febrero a abril y de agosto a octubre en la región de Australasia), las condiciones son propicias para que crezcan todos los días.
Demostramos que las tormentas geomagnéticas modifican el sistema global de vientos de la alta atmósfera de tal manera que impiden que las burbujas crezcan en el ecuador durante estos períodos, algo que nuestras observaciones del GPS respaldaron ampliamente.
Estas perturbaciones geomagnéticas procedentes del Sol impiden que las burbujas crezcan y, por tanto, ofrecen a las personas la posibilidad de seguir utilizando el GPS por la noche durante estas temporadas de mayor actividad de las burbujas de plasma.
Así pues, para quienes utilizan el GPS en lugares de latitudes bajas —como el Sudeste Asiático, el Pacífico, Sudamérica y África—, una perturbación geomagnética procedente del Sol ayudará a evitar los episodios de centelleo del GPS tras la puesta del Sol en las épocas del año en que normalmente ocurren todas las noches.
Publicado en colaboración con The Conversation
Autor: Brett Carter es investigador posdoctoral en clima espacial y física ionosférica en RMIT University.
Imagen: En esta ilustración fotográfica tomada en Ámsterdam el 28 de febrero de 2012 se ve un dispositivo de navegación TomTom. REUTERS/Robin van Lonkhuysen/United Photos.
