Efectos de la Radiación Solar en el Campo Aeroespacial

Bien, como he leído por ahí, se ha consultado por los efectos de la actividad solar en las actividades diarias en nuestro planeta. Ante este llamado, he decidido subir este pequeño artículo que doné a Starviewer (cuando todavía se trataban temas serios) donde explicaba los efectos en el campo aeronáutico. Espero que sea de vuestro agrado 😉

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INTRODUCCIÓN

Las observaciones y el monitoreo de SOHO y otros telescopios en tierra han revelado una inusitada actividad solar durante el mínimo del ciclo 24. Esto ha traído entre otras cosas la generación de condiciones ambientales sobre el planeta Tierra que han afectado de sobremanera las actividades de algunas operaciones tecnológicas. Dentro éstas, la aviación ha sido una de las más damnificadas. Los efectos de la hiperactividad solar, en conjunto con el arribo de radiación galáctica ha vuelto nuestros cielos en lugares de peligro moderado por la exposición de radiación. El presente artículo pretende informar desde un aspecto técnico los efectos en el equipamiento aeronáutico, la tripulación y los pasajeros.

EL CAMPO DE RADIACIÓN IONIZANTE

El campo de radiación ionizante es una condición climática espacial que puede ser producida por dos condiciones:

– Una fuente de radiación cósmica sensible (una explosión de supernova, un pulsar), o GCR

– Un flujo de partículas  energéticas proveniente del sol (SEP)

Las condiciones de SEP son monitoreadas desde una PCD (pre-computed database). Son producto de erupciones solares y eyecciones de masa coronal (CME) que pueden ser detectadas mediante las imágenes que provee SOHO y detectadas por CACTUS y otros monitores. El índice SEP se incrementa exponencialmente con la altitud. Luego la exposición de la radiación puede ser reducida significativamente a vuelos de baja cota. Sin embargo, desde el aspecto comercial, los vuelos a baja altura son infactibles, pues debido al incremento de la densidad del aire el consumo de combustible se dispara. Actualmente, las rutas aéreas comprenden alturas de vuelo que van desde los 15.000 hasta 41.000 pies, que son las alturas en las cuales el consumo es óptimo. Los BJCA (Business Jet Cruising Altitudes, altitudes de crucero de aviones ejecutivos)  son en muchos casos mayores que los vuelos comerciales. Estas rutas aéreas son más propensas a la radiación aumentando el riesgo de salud en la tripulación y los pasajeros frecuentes que pasan muchas horas en vuelo. La cuantificación de estos eventos es de gran interés por la industria aeronáutica ya que esta es la primera fuente de exposición de radiación de transferencia de alto nivel (LET) sobre el ser humano. El siguiente gráfico nos muestra la composición del material particulado proveniente de GCR y SEP respectivamente:

Material Particulado en las GCR's

Material Particulado de las SEP's

Generalmente, la cantidad y periodicidad de las SEP aumenta durante la presencia de CME’s. Estas transportan material a través del espacio interplanetario que en muchas ocasiones arriva a la alta atmósfera terrestre. La interacción aire-GCR-SEP produce eventualmente la ionización atmosférica, la cual varía con la altura y la el campo magnético local. Las partículas componentes de las SEP’s y las GCR’s  rompen los enlaces atómicos de aire generando una gran cantidad de energía, produciendo iones inestables que comienzan a decaer mediante los canales de radioactividad usuales.

Dentro de este sub-producto, Los neutrones son los más críticos. Debido a su neutralidad, pueden penetrar más profundamente a través de la atmósfera generando ionización sobre las aeronaves, la tripulación y los pasajeros. 

El mecanismo de interacción de los neutrones libres con la materia es análoga a la ocurrida en las explosiones de bombas de neutrones, a escala muy reducida. De ahí el riesgo de los vuelos en condiciones de tormenta solar.

 NASA, a través de su programa  NOAA entrega importantes datos sobre las condiciones climáticas espaciales, que son usadas por los sistemas de seguimiento de satélites, sistemas globales de comunicación, informática, ingeniería y transporte. Sin embargo, los productos carecen sistemas de alerta de riesgo sobre la salud humana sobre las aeronaves. Por su parte, la Federal Aviation Administration (FAA)  a través de su Instituto Médico de Aeroespacio Civil han utilizado una pequeña database montada en el programa CARI-6 que calcula la tasa de  radiación GCR para aerorutas pretederminadas. Desafortunadamente, la información no es actualizada y basa las mediciones a través de promedios de acuerdo a las condiciones solares del momento. El sistema CARI-6 tampoco provee información sobre las condiciones SEP durante eyecciones de masa coronal. 

AREAS DEL GLOBO CON RIESGO REPRESENTATIVO

Dentro de las áreas que presentan riesgo representativo son aquellas en las que el tráfico es considerable, destacando las rutas del hemisferio norte. El corredor del atlántico norte es uno de lo más ocupados del espacio aéreo mundial, y por estar próximas al polo, la cantidad de material iónico la hace un área crítica. Los vuelos sobre Canadá son uno de las más expuestos. El incremento de los vuelos desde Norteamérica hacia Asia aumentó la tasa de exposición en varias de varias rutas aéreas. Muchas rutas europeas están expuestas a más que una baja tasa de exposición.

En condiciones de máximo solar, la tripulación puede alcanzar un 60-70% de exposición anual recomendada en un periodo de mil horas de vuelo(1).

 (1) Un tripulante puede cumplir 1000 horas de vuelo en alrededor de 3-4 meses, dependiendo de la frecuencia de vuelo a la que puede estar sometido.

Distribución de la tasa de radiación CGR alrededor del globo

Las diferencias generadas por la estación del año presente también influye en los rangos de exposición de radiación CGR. La expansión atmosférica en verano debido al incremento de la temperatura incrementa la presión a 12 kms de altura. Este aumento de la presión a una altitud determinada aumenta la protección de los flujos CGR.

Luego las dósis de radiación CGR son ligeramente menores en verano, en comparación con el invierno.

 ANTECEDENTES HISTÓRICOS DE LLUVIAS DE RADIACIÓN CGR

La tormenta “Halloween” producida el 2003 marcó uno de los eventos solares más importantes registrado en la era espacial. Los flujos de partículas registrados por los satélites durante el evento entregaron información de al menos 5 peaks de grupos de partículas arribando a la atmósfera terrestre. La información registrada durante el evento es utilizada por los ingenieros aeroespaciales para instaurar modelos y factores de seguridad sobre los riesgos de la radiación solar en las actividades aeronáuticas y espaciales.

El gráfico muestra el flujo de partículas energéticas registrado por el NOAA GOES .

EFECTOS DE LAS SEP’s Y GCR SOBRE LA CONSTALACIÓN SATELITAL

Se ha observado que las tormentas geomagnéticas medianas y grandes crean una ionosfera irregular sobre la zona continentales, y su efecto sobre las redes satelitales ha sido la inhabilitación de la guía vertical mientras duran dichas condiciones. Los sistemas garantizan la seguridad, a expensas de la disponibilidad, y los operadores deben utilizar una ayuda alterna de aterrizaje de aeronaves o deberán realizar una aproximación de no precisión utilizando métodos análogos.  Las tormentas solares producen una demora o delay sobre las señales satelitales, reduciendo sus rangos de precisión de manera ostensible. En varias ocasiones, las guías verticales han quedado inhabilitadas totalmente por espacio de horas hasta su reposición.La siguiente imagen muestra los efectos geomagnéticos de las tormentas solares y por ende sobre el funcionamiento de los satélites:

efectos de las SEP’s y CGR’s sobre las líneas de la magnetósfera.

EFECTOS DE LAS SEP’s Y GCR SOBRE LAS AERONAVES

De acuerdo a las leyes fundamentales del electromagnetismo, un flujo de corriente tiene la particularidad de generar un campo magnético que es una resultante perpendicular a la dirección de flujo, caracterizada por la regla de la mano derecha. Del mismo modo, un campo magnético, al ser expuesto a sistemas dinámicos, posee la capacidad de generar un flujo de electrones, que es el principio de generación electromotriz. Esta característica del magnetismo es de especial importancia, pues cuando este fenómeno se sucede en la naturaleza y en los sistemas artificiales creados por el hombre, es requerida, de manera inherente, de un medio de transmisión, que puede ser el aire, el agua, y los sistemas de cableados del equipamiento de un artefacto. Las aeronaves comerciales están diseñadas y fabricadas con secciones aisladas y definidas de acuerdo a las funciones que cumplen cada una de éllas para el funcionamiento general de la máquina. Así por ejemplo, tenemos el sistema de almacenamiento de combustible en las alas, los sistemas de control de vuelo bajo la cabina de control, los sistemas de energía auxiliar (APU) en el extrema de la cola, y los sistemas eléctricos y electrónicos en la cabina en la parte posterior de la aeronave (compartimiento eléctrico-electrónico E&E).

Ubicación compartimiento Eléctrico y Electrónico

El compartimiento E&E es una división aislada que posee racks en los cuales son instalados los sistemas de control electrónico de la aeronave.  Es un recinto aislado eléctricamente, ventilado con el aire viciado de la cabina de pasajeros. A pesar de los esfuerzos realizados por los fabricantes en mejorar el aislamiento de este compartimiento, muchos fenómenos de tipo magnético producen alteración en los mecanismos electromecánicos, y en los aparatos de comunicaciones. De éstos, los más afectados son los receptores VHF omnidirectional Range VOR y el glide slope (GS). El VOR y el GS proveen información posicional de la aeronave respecto a las señales de las estaciones VOR o el localizador (LOC) de los rayos direccionales para el aterrizaje. Ambas son señales de radio, que son perturbadas por cualquier anomalía magnética presente en el ambiente. En lugares tales como los polos, donde las perturbaciones magnéticas pueden llegar a ser críticas, se aconseja a las aeronaves realizar las maniobras utilizando los métodos VFR (Visual Flight Range) en conjunto con los métodos análogos.  En el aspecto corpuscular, las partículas energéticas interactúan con las microondas enviadas por los sistemas de radar climático a bordo de los aviones. Las partículas solares acortan los rangos de alcance de los radares de manera sutil. Cuando este fenómeno es considerable, es posible visualizar manchas en los displays ubicados en la cabina de control, disminuyendo ostensiblemente la capacidad y rendimiento de estos instrumentos. Los fabricantes han hecho enormes esfuerzos por mejorar la performance de estos instrumentos. Sin embargo, las nuevas políticas de diseño de las últimas líneas de construcción de los manufacturadotes (Airbus encabezando la lista) han optado por una disminución de los sistemas de aislamiento electromagnético de la E&E y de la cabina de control. La razón es una reducción de peso compensado para el aumento de los sistemas electrónicos a bordo. Sin embargo, esta reducción ha ido en desmedro de la tripulación y los pasajeros, aumentando la tasa de exposición de radiación.

REFLEXIONES FINALES

El incremento de la actividad solar ha traído de manera inherente el aumento de radiación y partículas que arriban a la atmósfera terrestre generando diversos efectos en el normal desarrollo de las operaciones aéreas. Entre éllos, los más representativos son aquellos que conciernen a las perturbaciones en los sistemas de comunicación y navegación. También es posible ver perturbaciones en la operación de los satélites, luego es necesario declarar que las tormentas solares DEBEN ser catalogadas como fenómenos climáticos de importancia. Todo este mecanismo se ve afectado de manera inminente por la estación del año; Los vuelos en época invernal son ligeramente más afectados por la radiación cósmica que los vuelos estivales. El problema se agrava al observar los efectos sobre las vidas humanas por sobre todo si no existen procedimientos correctivos para tal fenómeno. Por ahora, las observaciones y los análisis sobre la actividad solar han sido trascendentales para analizar estos efectos. La cadena investigativa debe continuar, para enlazar esta interacción observación-comprensión de efectos.

Astro – Club de Astronomía 2010