Revista XXVII No. 4 de 2020

Nodo colombiano para la Red Internacional de Monitoreo de Actividad Solar

Nodo colombiano para la Red Internacional de Monitoreo de Actividad Solar

Autores

Ing. Raul Joya 

Director 

Observatorio Astronómico 

Universidad Sergio Arboleda 

raul.joya@usa.edu.co

Santiago Vargas Domínguez, PhD. 

Profesor Asociado 

Observatorio Astronómico Nacional  

Universidad Nacional de Colombia 

svargasd@unal.edu.co

Ing. Charles Triana 

Director 

Observatorio AstroExplor 

charles.triana@astroexplor.org

Javier Sánchez  

Estudiante de Física 

Universidad Nacional de Colombia  

jsanchezg@unal.edu.co

Domenico Bonaccini Calia, PhD. 

Investigador Senior 

European Southern Observatory 

dbonacci@eso.org 

 

Resumen 

La actividad solar tiene influencia directa en el denominado clima espacial. Las tormentas solares pueden impactar nuestro planeta y generar efectos adversos sobre nuestra, causando situaciones críticas para el normal desarrollo de la vida de millones de personas, como ha ocurrido en ocasiones anteriores.  Cada vez se hace más necesario contar con sistemas para la predicción de fenómenos de actividad del Sol. La Red Internacional de Monitoreo de Actividad Solar (SAMNet) tiene como objetivo la implementación de telescopios solares en varios lugares alrededor del mundo, incluyendo un nodo colombiano (SAMco) para generar alertas sobre la ocurrencia de potenciales eventos de actividad solar que pueden tener influencia sobre la Tierra.

Palabras clave: Actividad solar, Clima espacial, Instrumentación, Telescopio, Campo magnético.

Abstract

Solar activity has a direct influence on the so-called space weather. Solar storms can impact our planet and generate adverse effects on our technology, causing critical situations for the normal development of life for millions of people, as has occurred on previous occasions. It is becoming more and more necessary the use of systems for the prediction of the solar activity phenomena. The international Solar Activity Monitoring Network (SAMNet) aims to implement solar telescopes in various places around the world, including a Colombian node (SAMco) to generate alerts about the occurrence of potential solar activity events that may have an influence on the Earth.

Keywords: Solar activity, Space weather, Instrumentation, Telescope, Magnetic field.

 

Actividad solar 

El Sol tiene procesos de liberación de energía, algunos de los cuales ocurren en las denominadas regiones activas en su atmósfera. Las tormentas solares, causadas por interacciones del campo magnético solar a gran escala, en forma de fulguraciones y eyecciones coronales de masa (CME por sus siglas en inglés), generan corrientes de plasma, partículas cargadas de alta energía (principalmente protones y electrones) que viajan a través del espacio interplanetario y pueden llegar a la Tierra, pudiendo tardar tan solo 30 minutos en alcanzarla. Al llegar, penetran en la magnetosfera a través de las líneas del campo magnético y son redirigidas por éstas hacia las zonas polares. 

Dependiendo de la intensidad del evento solar, se pueden generar impactos críticos en la Tierra y en la actividad humana (1). Históricamente, la tormenta solar más potente registrada hasta la fecha, ocurrida en 1859 y conocida como el evento Carrington (2), tuvo consecuencias adversas sobre la infraestructura de comunicaciones del momento - la red telegráfica -  y fue responsable de auroras en latitudes bajas, como en Colombia (3). 

Estudios recientes han mostrado como el campo magnético solar experimenta cambios previos a la ocurrencia de fulguraciones, de forme que se podrían predecir los eventos de actividad solar con varias horas de anticipación (4,5,6,7). Las alertas tempranas dan la oportunidad de desplegar medidas de mitigación.

El clima espacial y su influencia en nuestro planeta 

El Sol es el principal impulsor del clima espacial, que puede causar un alto impacto negativo en la actividad socioeconómica mundial. Esto incluye tanto efectos directos, en sectores industriales específicos, como efectos indirectos en infraestructuras dependientes (Figura 1). Algunos aspectos relacionados con tales impactos descritos en varios estudios (8, 1, 9) se detallan a continuación:  

Salud: Los altos niveles de radiación durante una fuerte tormenta solar pueden generar una elevada y peligrosa exposición que afecta a pasajeros en vuelos a gran elevación y en altas latitudes. Al superar ciertas dosis, se puede afectar el funcionamiento de órganos y tejidos, y producir efectos que van desde enrojecimiento de la piel y quemaduras, hasta los que alteran el funcionamiento a nivel celular y daños en el ADN. 

Redes eléctricas: Las corrientes geomagnéticas inducidas en la superficie terrestre por efecto de las tormentas solares, generan a su vez corrientes eléctricas en los transformadores de las redes, cuyos niveles de intensidad pueden ser superiores a su rango normal de operación, ocasionando variaciones en voltajes y corrientes de suministro, así como en la energía en los materiales de los componentes. Las consecuencias directas incluyen daños por sobrecalentamiento de componentes eléctricos e interrupción temporal o permanente del suministro en las redes públicas.  

Comunicaciones: Interferencia o interrupción total de las comunicaciones de radio, principalmente en bandas HF y en regiones de latitudes altas. 

Navegación (GPS): Pérdida de precisión de la información de geolocalización suministrada por el sistema GPS como consecuencia de la variabilidad ionosférica. 

Aviación: Afectaciones indirectas condicionadas por el impacto del clima espacial sobre las comunicaciones, navegación y la estabilidad de componentes electrónicos esenciales para el sector aeronáutico, especialmente en vuelos con trayectorias en latitudes altas. 

Satélites: Pérdida de capacidad de transmisión de señales de comunicaciones debido a la atenuación de los niveles de radiofrecuencia por la variabilidad en las condiciones ionosféricas, en particular en la densidad de esta capa atmosférica, con consecuencias también sobre la fuerza de arrastre que puede forzar la caída orbital de satélites. 

Misiones espaciales: Riesgos asociados a los problemas de salud en astronautas de misiones tripuladas, y afectaciones generales en los sistemas de operación de vehículos espaciales que ponen en alerta el desarrollo normal de las misiones. 

Cuando se habla de los efectos del clima espacial, se suele advertir que la pregunta no es si uno de estos eventos extremos afectarán a la Tierra, sino cuándo ocurrirá, causando un retroceso significativo en la dinámica de nuestra sociedad debido a sus implicaciones sobre la tecnología que usamos en la vida diaria, además de pérdidas multimillonarias,  como alertan instituciones internacionales de evaluación de riesgos.  Un informe de evaluación de amenazas (10) concluyó que los eventos climáticos espaciales extremos podrían causar cerca de 3 billones de dólares en daños y que se podría necesitar hasta una década para alcanzar una recuperación completa.  Compañías del sector eléctrico en diversos lugares del mundo comienzan a darle más importancia a este tema (11). Los costos estimados en Estados Unidos y Canadá para ajustar y reducir sobrecargas en los sistemas o desconectar componentes ante la amenaza de tormentas geomagnéticas inesperadas son de 400 millones de dólares , y hasta de 5.000 millones por efectos asociados.  El apagón  de Quebec (Canadá) el 13 de marzo de 1989 tuvo un costo neto de alrededor de 13 millones de dólares. 

Desde hace ya tres décadas, hay casos de daños en satélites, con pérdidas parciales o totales. Para el satélite Anik, los costos de recuperación ascendieron a 70 millones de dólares (12), y para un evento extremo se podrían alcanzar pérdidas que ascenderían a 100.000 millones de dólares. En el sector aeronáutico comparten la preocupación, debido a los costos asociados al desvío de rutas por un evento geomagnético (100.000 dólares por ruta) y de comunicaciones/navegación que van desde 50.000 a 1 millón  de dólares para cada compañía (13). 

Con el fin de reducir el impacto de las tormentas se requiere fortalecer las capacidades de entendimiento del clima espacial y el pronóstico de eventos de alto riesgo. La pandemia debida a la enfermedad del Covid-19 ha mostrado como una situación repentina puede causar impactos socioeconómicos con consecuencias nefastas, especialmente cuando no se tiene la tecnología y los planes de actuación y de mitigación apropiados. Varios organismos gubernamentales se han dotado de centros de vigilancia y control de la actividad solar, aunque la capacidad de predicción de los fenómenos meteorológicos espaciales es todavía muy limitada, y requiere de nuevos esfuerzos conjuntos. 

Para Colombia, los aspectos anteriormente mencionados son de gran relevancia, y tienen también un impacto directo sobre la economía del país. Los modelos de vulnerabilidad de los equipos de la red eléctrica, de comunicaciones y demás infraestructuras críticas, son escasos. Una gran parte de esta infraestructura es esencial dentro de la llamada cuarta revolución industrial, tema de gran relevancia para el futuro tecnológico del país. A nivel gubernamental y en la toma de decisiones, se debería procurar una adecuada articulación entre científicos, empresarios y políticos, para tener una comunicación eficaz y trabajar conjuntamente en pro de la seguridad nacional en relación con el clima espacial.  

Red internacional de monitoreo de la actividad solar  (SAMNet) 

En el contexto del clima espacial y sus efectos, surge el proyecto internacional denominado Red de Monitoreo Magnético de la Actividad Solar o SAMNet por las siglas en inglés de Solar Activity Monitor Network (14), como una red global para la observación permanente de la actividad magnética solar para la detección de eventos  y generación de alertas tempranas para la mitigación de los impactos del clima espacial. El objetivo principal de SAMNet será el monitoreo utilizando los últimos avances en tecnología para la medición de campo magnético (15). SAMNet estará conformada por nodos, y cada uno de ellos incluirá un telescopio de monitoreo magnético de actividad solar (16, 17). 

La Figura 2 muestra la ubicación de los nodos internacionales que harán parte de SAMNet. El nodo colombiano se denomina SAMco, y permitirá contar con el primer equipamiento de su tipo en el país. Colombia aportará datos de alto nivel por primera vez a un servicio de predicción mundial de tales características. El país tendrá también una destacada contribución en el desarrollo de algoritmos y tecnologías de inteligencia artificial para el procesamiento de los magnetogramas solares (7).  Para ello, se analizarán en tiempo real las características evolutivas del campo magnético solar con datos provenientes de los nodos de la red. Este aporte tiene implicaciones para la industria e importantes contribuciones en el manejo de grandes cantidades de datos (big data) y aprendizaje de máquina (machine learning), con repercusiones directas e indirectas sobre tecnologías asociadas a la cuarta revolución industrial.

Nodo colombiano para la observación solar (SAMco)

La Figura 3 muestra un esquema donde se describe el funcionamiento general de SAMco con sus principales componentes y la integración dentro de SAMNet. 

La instrumentación de la unidad para el observatorio SAMco deberá operar de forma automatizada, por medio de componentes de hardware y software que permitan realizar dos grupos específicos de funciones: 1) El proceso de adquisición de las imágenes solares y producción de los datos científicos, 2) El envío/recepción de señales para el monitoreo del estado, control y operación de los sistemas de apoyo.  

Para la primera función, el procedimiento que tiene lugar es el siguiente: la luz de la región solar de interés es atenuada, recolectada y filtrada por cada uno de los telescopios en la línea espectral asignada. A la salida de cada telescopio la luz es colimada e ingresa al filtro magneto-óptico (MOF) que actúa como un espectropolarímetro. A la salida del dispositivo MOF la luz solar es finalmente  capturada como una imagen por la cámara CCD de cada telescopio. Las imágenes se introducen posteriormente a la etapa de procesamiento, en la cual se genera una imagen definitiva del nodo para ser enviada mediante transmisión de datos al nodo central de SAMNet. Allí se realiza un procesamiento final para análisis, generación de datos científicos y de pronósticos y alertas. 

En la segunda función, el monitoreo permitirá la vigilancia de condiciones meteorológicas y ambientales (temperatura/seeing) para permitir una operación eficiente y segura, pero especialmente del estado de los dispositivos de control y de captura de imágenes. Las señales de control actuarán, entre otros, sobre la operación del domo (apertura/cierre), de la montura (apuntamiento y seguimiento), la configuración de filtros, enfoque y cámara (inicio/fin de captura). 

El componente esencial del observatorio solar es el denominado Telescopio de Monitoreo MOF de Actividad Solar o telescopio SAMM (16), un instrumento robótico en tierra que ha sido desarrollado para estudiar y monitorear constantemente la actividad magnética del Sol, específicamente en regiones solares activas.  La Figura 4 muestra el prototipo del domo que aloja al telescopio y el ensamble de la instrumentación óptica-mecánica que lo conforman, desarrollados por INAF - Observatorio Astronómico de Roma y la empresa italiana Avalon Instruments. 

Recientemente se obtuvo la primera luz del telescopio SAMM (16). La Figura 5 muestra una composición de imágenes de los telescopios espaciales Observatorio de Dinámica Solar (18) y Hinode (19) tomadas el 10 de octubre de 2019, en donde se destaca la región activa 12749 en diferentes filtros. El panel inferior derecho muestra el magnetograma de la correspondiente región activa, en donde la zona destacada en amarillo extrae el campo de visión mostrado en el magnetograma de la primera luz del telescopio SAMM, con zonas negras/blancas que corresponden a polaridades magnéticas negativas/positivas, respectivamente. 

 

Conclusiones 

SAMco tendrá un gran impacto hacia la consolidación de una línea transversal de instrumentación astronómica en Colombia, siendo parte de una red internacional con cerca de 30 instituciones, y se constituirá en el país como el primer telescopio solar de uso robótico usado para el registro del campo magnético solar y su investigación. Sumado al desarrollo de algoritmos de análisis de datos, el proyecto representa un paso importante para robustecer las líneas de astronomía, astrofísica y ciencias del espacio en el país, una de las recomendaciones de la reciente Misión de Sabios (20). El desarrollo y operación del proyecto SAMco en las componentes relacionadas con hardware/software tiene igualmente implicaciones sobre el relacionamiento y fortalecimiento de la industria nacional, desde la construcción y automatización del domo, las redes y conectividad, y de sus múltiples sub-sistemas.

Agradecimientos 

Este trabajo es parte del convenio de colaboración entre el Observatorio Astronómico Nacional - Facultad de Ciencias de la Universidad Nacional de Colombia y el Observatorio Astronómico de la Universidad Sergio Arboleda. Los autores agradecen la colaboración de Robertus Erdélyi, Roberto Speziali, Paul Hickson, Joshua Hellemeier, Max Herrera, Giovanni Pinzón, Sergio Sánchez, Ramiro Agudelo y Roberto Velazco.

Bibliografía 

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[2] Carrington, R. C. 1859. Description of a Singular Appearance seen in the Sun on September 1, 1859. Mon. Not. R. Astron. Soc., 20, 13–15, 10.1093/mnras/20.1.13.  

[3] Moreno Cárdenas, F., Cristancho Sánchez & S., Vargas Domínguez, S. 2016, Advances in Space Research, 57. 

[4] Korsos, M.B., Ludmány, A., & Erdélyi,R., Baranyi,T. 2014. Pre-Flare Dynamics of Sunspots Groups, The Astrophysical Journal 789, 107. 

[5] Korsos, M.B., Ludmány, R,. & Ludmany, A. 2015. On Flare Predictability Based on Sunspot Group Evolution, The Astrophysical Journal 802, L21. 

[6] Korsos, M. B ., Yang, S.,  & Erdélyi, R. 2018. Investigation of Pre-Flare Dynamics Using the Weighted Horizontal Magnetic Gradient Method: From small to major flare classes, Journal of Space Weather and Space Climate. 

[7] Granados-Hernández, N., & Vargas-Domínguez, S. 2020. Análisis de polaridades magnéticas en regiones activas para la predicción de fulguraciones solares. Rev. Acad. Colomb. Cienc. Ex. Fis. Nat., 44(173), 984-995. 

[8] Collins, C. 2013. Astronomy 101: From the Sun and Moon to Whormholes and Warpdrive, Key Theories, Discoveries, and Facts about the Universe, 1st ed. USA: Adams Media. 

[9] Pevtsov, A. A. 2017. Space Weather Forecasting and Supporting Research in the USA. Geomagnetism and Aeronomy, 57(7), 769–775, 10.1134/S0016793217070179.  

[10] Lloyd Report. 2013. Solar Storm Risk to the North American electric grid. https://www.lloyds.com/news-and-risk-insight/risk-reports/library/natural-environment/solar-storm 

[11] Thomson, A. W. P., Gaunt, C. T., Cilliers, P., Wild, J. A., Opperman, B., McKinnell, L.-A., Kotze, P., Ngwira, C. M., & Lotz, S. I. 2010. Present day challenges in understanding the geomagnetic hazard to national power grids. Advances in Space Research, (45)9, 1182-1190. doi:l0.1016/j.asr.2009.11.023. 

[12] Krausmann, E.,  Andersson,  E.,  Murtagh, W., &  Mitchison, N. 2013. Space Weather and Power Grids: Findings and Outlook. Luxembourg: JRC Scientific and Policy Reports. Publications Office of the European Union. https://publications.jrc.ec.europa.eu/repository/bitstream/JRC86658/lbna26370enn.pdf DOI:10.2788/42160.  

[13] Tulunay,Y.K.,& Bradley,P.A. 2004.The impact of space weather on communication. Annals Of Geophysics, 47(2-3 Sup.) 

[14] Erdélyi, R., Korsos, M. B., Huang, X., Yang, Y., Pizzey, D., Wrathmall, S. A., Hughes, I. G., Dyer, M. J., Dhillon V. S., Belucz B., Brajsˇa, R., Chatterjee, P., Cheng, X., Deng, Y., Vargas Domínguez, S., Joya, R., Gömöry, P., Gyenge, N., Hanslmeier, A., Kucera, A., Li, F., Liu, Z., Xu, L., Mathioudakis, M., 2021. Journal of Space Weather and Space Climate,  (in press).   

[15] Cacciani A., Fofi M. 1978. “The Magneto-Optical Filter, II. Velocity Field Measurements”, Solar Physics, 59, 179- 189,  DOI: 10.1007/BF00154941. 

[16] Speziali, R.  Di Paola, A., Centrone, M.,  Oliviero, M.,  Bonaccini Calia, D., Dal Sasso, L., Faccini, M.,  Mauriello V. & Terranegra, L. 2021. Journal of Space Weather and Space Climate.   DOI: 10.1051/swsc/2020078, (in press). 

[17] Stangalini, M., Piazzesi, R., Speziali, R. & Dal Sasso, L. 2018. SAMM: the solar activity MOF monitor, SPIE Proceedings 10700, Ground-based and Airborne Telescopes VII, 107001K. DOI: 10.1117/12.2313373. 

[18] Pesnell W.D., Thompson B.J. & Chamberlin P.C. 2011. The Solar Dynamics Observatory (SDO). In: Chamberlin P., Pesnell W.D. & Thompson B. (eds) The Solar Dynamics Observatory. Springer, New York, NY. https://doi.org/10.1007/978-1-4614-3673-7_2 

[19] Kosugi, T., Matsuzaki, K., Sakao, T., Shimizu, T., Sone, Y., Tachikawa, S., Hashimoto, T.,Minesugi, K., Ohnishi, A., Yamada, T., et al. 2007.  The Hinode (solar-b) mission: an overview.  In the Hinode Mission, pages 5–19. Springer. 

[20] Colombia hacia una sociedad del conocimiento - Informe de la misión internacional de sabios 2019 por la educación, la ciencia, la tecnología y la innovación. 2020. ISBN: 978-958-5135-12-3.

Figura 1.  Impacto del clima espacial. Adaptado de imágenes de NASA y National Geographic.

 

Figura 2. Mapa de los nodos pertenecientes a la Red de Monitoreo de Actividad Solar (SAMNet) incluyendo los posibles lugares (en azul) que se integrarán a la iniciativa en el futuro.

Figura 3. Diagrama mostrando la configuración del nodo colombiano SAMco para el monitoreo de la actividad solar, dentro de la red SAMNet.

Figura 4. Prototipo del telescopio SAMM con el domo que lo aloja (izquierda) y el montaje que incluye los componentes opto-mecánicos (derecha), ubicado en las instalaciones de la empresa Avalon Instruments, cerca de Roma (Italia).

foto 4

Figura 5. Composición de imágenes de observaciones solares tomadas con los telescopios espaciales Observatorio de Dinámica Solar (SDO), y Hinode en diferentes filtros (ver etiquetas). Los paneles inferiores muestran magnetogramas de la región activa 12749, uno de los cuales (imagen inferior izquierda) corresponde a la primera luz del telescopio SAMM el 10 de octubre de 2019 registrada desde el prototipo ubicado en la empresa Avalon Instruments (ver Figura 4.) 

foto 5

 

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