¿Qué pasaría si un satélite recibiera un impacto directo de una eyección de masa coronal (CME)?

Podemos ver lo que sucedió cuando esto realmente ocurrió.

La tormenta geomagnética de marzo de 1989 fue causada por una eyección de masa coronal.

Éstos son sólo algunos de los muchos efectos sobre los satélites.

• Un satélite perdió 3 millas de altitud ( ¡no 30 km! No creas esa leyenda ).
• Otro comenzó a dar vueltas sin control.
• GOES 7 perdió comunicaciones e imágenes por un tiempo.
• Cuatro satélites tuvieron problemas para descargar el par debido a cambios en el campo magnético orbital.
• El satélite japonés CS-3B perdió la mitad de su circuito de comando redundante.
• Los satélites GEO comerciales tenían problemas de control de actitud.

Algunos usuarios no pudieron acceder al documento aquí , así que agregué capturas de pantalla. (Comienza en la página interna número 1487)

Pasé un par de años trabajando en la Sección de Astrofísica y Física Espacial del JPL. Trabajar con la gente de Física Espacial me enseñó mucho sobre el viento solar y otros fenómenos meteorológicos espaciales . Más tarde, trabajar con Hank Garrett del grupo de Entornos Espaciales del JPL me enseñó más, especialmente en lo que respecta a los efectos en las naves espaciales.

Comenzaré con una descripción de lo que es un CME.

Una eyección de masa coronal (CME) grande y rápida (también aquí ) no es tan diferente del viento solar regular, excepto que : está más localizada; se aleja mucho más rápido del sol; y el campo magnético arrastrado puede ser muy diferente, especialmente en dirección, del viento solar alrededor de la CME. Una CME es una mancha de magnetoplasma que se mueve rápidamente: es en gran parte hidrógeno ionizado (al igual que el viento solar), por lo que protones y electrones, con una pizca de átomos más pesados, y lleva consigo un campo magnético que fue arrastrado en el solar inferior. corona. Casi todos los átomos están por lo menos ionizados individualmente; algunos de los más pesados ​​están ionizados de forma múltiple.

Aunque el mecanismo que genera el CME es en gran medida irrelevante para esta pregunta, lo mencionaré. Tiene que ver con el comportamiento de los campos magnéticos en la corona inferior del sol. Las líneas de campo se estiran, tuercen y "torcen", y al igual que estirar y torcer una banda elástica, esto almacena energía en el campo. Ocasionalmente, esos campos se ajustan a una configuración de energía más baja (un proceso llamado reconexión magnética ) y la energía liberada repentinamente alimenta la explosión de CME.

NOTA: no hay carga eléctrica neta para un CME. Es eléctricamente neutro. Pero es un plasma, por lo que todos esos portadores de carga pueden moverse, al menos un poco.

Pero solo un poco, al menos para movimientos perpendiculares a las líneas del campo magnético. La materia (iones y electrones) y el campo magnético en el viento solar y en una CME están unidos, por lo que se inhibe el movimiento relativo a gran escala de uno con respecto al otro. Si un ion o electrón intenta moverse con respecto al campo magnético local, la fuerza de Lorenz , F = q ( V X B ), donde q es la carga de la partícula, V es la velocidad de la partícula, Bes la intensidad y la dirección del campo magnético, y X es el producto cruzado vectorial, hace que la partícula gire en espiral alrededor de las líneas del campo magnético local. Tiene dificultades para cruzar muchas de esas líneas de campo, porque esa fuerza de Lorentz sigue rechazándolo. Por el contrario, si el campo magnético intenta cambiar (lo que mueve las líneas de campo), esto establece una V relativa con respecto a las partículas cargadas, y comienzan a girar. Sé que esto suena como magia, pero la física de la situación hace que esas partículas cargadas giratorias generen sus propios campos magnéticos (los bucles de corriente generan campos magnéticos, según la ley de Biot-Savart ) que resisten el cambio en el campo magnético. ¡Así que las partículas y el campo magnético están "unidos por la cadera"!

Las cosas se ponen interesantes en las ondas de choque. Las CME rápidas se mueven a 2000-3200 km/s, mientras que el viento solar normal más rápido es de unos 1000 km/s. Esta diferencia de velocidad es mucho más rápida que la velocidad "magnetosónica", la velocidad a la que viajan las ondas en la sopa de campos magnéticos más iones. Entonces, se forma una onda de choque en el frente de tal CME. Las ondas de choque comprimen las cosas. En el caso de un frente de choque de CME, está comprimiendo el magnetoplasma, por lo que la densidad de partículas aumenta y la fuerza del campo magnético aumenta rápidamente. En el viento solar frente al choque, el campo magnético puede estar en una dirección, y justo detrás del choque puede estar en una dirección completamente diferente. La turbulencia detrás del frente de choque genera caos en esta transición y compresión, por lo que el campo magnético puede estar por todas partes, tanto en magnitud como en dirección.

Mencioné el aumento de la densidad de partículas. Pero sigue siendo lo que consideraríamos un vacío duro. La "onda expansiva", el impulso repentino de momento debido al impacto de las partículas en la onda, es insignificante en una CME a 1 UA de distancia del sol. Simplemente no hay suficiente masa involucrada. Pero un protón que va a 3000 km/s tiene una energía cinética de ~4,7 X$10^{4}$eV (electronvoltios), que califica como radiación ionizante .

Y los campos magnéticos cambiantes generan campos eléctricos, según las ecuaciones de Maxwell . Los campos magnéticos que cambian rápidamente generan fuertes campos eléctricos. Usted ve esto en algunos de los efectos terrenales de las CME: transformadores de potencia quemados, redes eléctricas caídas, etc. Hay descripciones fascinantes del Evento Carrington de 1859 , el mayor impacto de CME registrado, incendios en estaciones de telégrafo y descargas eléctricas (algunas severamente) los operadores.

Ahora, al meollo del asunto: los efectos en las naves espaciales.

Este tipo de cosas electromagnéticas pueden ocurrir en las naves espaciales. Las naves espaciales están llenas de conductores, en la electrónica, en los sistemas de energía, incluso en la estructura de la nave espacial. Frente a los campos magnéticos que cambian rápidamente (¡recuerde las líneas de telégrafo de 1859!), los conductores largos, especialmente los que forman bucles (no tienen que ser bucles circulares) pueden generar voltajes más grandes de los que están diseñados los componentes electrónicos de la nave espacial, y puede causar trabas y otros daños. Incluso los voltajes más pequeños, en las líneas de datos, pueden corromper los datos que se transmiten entre los sistemas de las naves espaciales, causando varios tipos de problemas, desde comandos dañados o entradas de tablas (como en los rastreadores de estrellas) hasta fallas del sistema operativo.

El estallido de radiación de varios kV en el frente de choque puede causar cualquiera de los problemas asociados con la radiación a tales energías, como alteraciones de un solo evento (SEU) y cambios de bits.

La mayoría de las naves espaciales modernas están diseñadas para manejar este tipo de eventos, y esos diseños generalmente tienen éxito. No estoy seguro de si sus márgenes son lo suficientemente grandes como para manejar otro Evento Carrington.

Pero hay algunos efectos que estos diseños no pueden manejar, y esos involucran el campo magnético que varía enormemente y el calentamiento de la atmósfera superior de la Tierra. Muchas naves espaciales que operan en las partes bajas de la magnetosfera de la Tierra utilizan barras de torsión magnéticas, también llamadas magnetorquers , para el control de actitud, ya que no requieren propulsor ni partes móviles, solo energía eléctrica. Dependen de que el campo magnético terrestre se comporte "normalmente", es decir, de forma predecible. Cuando una CME golpea la magnetopausa de la Tierra, el caos magnético se propaga hacia la magnetosfera y el campo magnético generalmente predecible se vuelve bastante impredecible . Los satélites sin sistemas secundarios de control de actitud para respaldar a los magnetorquers perderán el control de actitud.

Una buena fracción de la energía que una CME entrega a la Tierra termina en la atmósfera superior de la Tierra, calentándola. Esto hace que el gas se expanda, por lo que se desplaza hacia el exterior, ocupando más volumen. Esto hace que la densidad media baje. Pero las naves espaciales no se mueven hacia el exterior con la atmósfera, se mantienen en su altitud orbital, por un tiempo, de todos modos. A una altitud determinada y fija, el calentamiento hace que aumente la densidad del aire, lo que genera más resistencia y, por lo tanto, más pérdida de energía y de altitud. Caer ~3 km en un día más o menos de la duración de una tormenta magnética es mucho .

¡Espero que esto sea útil!

Dentro de la magnetosfera de la Tierra, que incluye todas las naves espaciales en órbita (pedantemente, todos los satélites), una eyección de masa coronal (CME) no puede golpear directamente una nave espacial. Las partículas cargadas son capturadas por el campo magnético de la Tierra.

Sin embargo, las erupciones solares y las CME todavía tienen impactos medibles en nuestras naves espaciales, razón por la cual en los EE. UU., la Asociación Nacional Oceanográfica y Atmosférica (NOAA) (entre otras organizaciones de naciones) realiza un seguimiento del clima espacial .

El clima espacial se informa utilizando 3 métricas: R, S y G, o efectos de apagón de radio, tormentas de radiación solar y tormentas geomagnéticas.

Los apagones de radio son causados ​​​​directamente por las erupciones solares y afectan a los satélites (y muchos sistemas de radio basados ​​en la Tierra) casi tan pronto como observamos las erupciones en la luz de rayos X. Dado que todos los satélites normalmente se comunican con las estaciones terrestres y, a veces, rara vez se comunican entre sí, cada satélite tiene 3 tácticas generales para lidiar con esto: aumentar la potencia de transmisión (generalmente no vale la pena), almacenar y volver a intentar en caso de que la estación terrestre no lo haga. No confirme la recepción de algunos paquetes, o simplemente considere la información como perdida y olvide que incluso intentó enviar algo en primer lugar (la opción más económica).

Las tormentas de radiación solar pueden acortar la vida útil de los paneles solares en una nave espacial, pero los paneles solares generalmente están diseñados para durar más que la vida útil esperada de una nave espacial de todos modos. Sin embargo, el efecto más importante es que acorta la vida útil de los satélites en órbita terrestre baja (LEO). A medida que la atmósfera de la Tierra se calienta, se expande, lo que reduce la velocidad de las naves espaciales muy cerca del planeta, reduce sus órbitas y hace que agoten sus motores de maniobra más rápidamente.

Pero, un factor mayor para calentar la atmósfera proviene de las CME y los Agujeros Coronales, que son áreas donde el viento solar proveniente de la fotosfera es más alto de lo normal, expulsando plasma de alta energía durante un largo período de tiempo, en comparación con las CME que expulsan plasma de alta energía en ráfagas rápidas. Cuando el plasma interactúa con el campo magnético de la Tierra, son desviados o atrapados (dependiendo de la orientación de la polaridad de las partículas), perturbando el equilibrio normal del campo, creando una tormenta geomagnética, que crea auroras e induce corrientes a escala global. . La Tormenta Geomagnética de 1989 es el primer evento de este tipo que viene a la mente de la gente. El evento Carrington(tormenta solar de 1859) es el segundo evento que me viene a la mente, siendo mucho mayor que cualquier cosa registrada, o incluso imaginable con la tecnología moderna.

Afortunadamente, pocos satélites, si es que hubo alguno, se perdieron a causa de ese evento. <./sarcasmo>

Fuera de la órbita terrestre, y completamente fuera del ámbito de los satélites, nuestras sondas espaciales están diseñadas para resistir la fuerza y ​​el poder destructivo del temperamento voluble de nuestro reactor de fusión más cercano.

Aquí está la vista de SOHO de un impacto directo de una bengala de clase X-17.2 en octubre de 2003 , uno de los más grandes registrados, desde la cálida y tostada ubicación de L1, aproximadamente 1.500.000 km más cerca del sol que nosotros. Durante esto, dos de los instrumentos de SOHO tuvieron que apagarse temporalmente, como se describe en el artículo vinculado, pero pudieron reiniciarse relativamente rápido. A pesar de recibir tales palizas, SOHO está en el año 22 de su misión de 3 años.

Estas grandes llamaradas de clase X también logran impactar directamente a los satélites en órbita terrestre, a pesar de lo que generalicé en el primer párrafo. Durante las llamaradas de octubre de 2003, 46 satélites tuvieron fallas, una gran parte del total de 70 satélites con fallas en 2003, como se indica en el artículo de Wikipedia sobre clima espacial .