En 1995 escribimos un interesante artículo "Por dentro del sol" (AST001S) en el que analizamos el funcionamiento de nuestro sol, mostrando cómo él produce energía y hablamos también de sus inestabilidades que provocan lo que denominamos "tempestades solares". Ahora, en el año 2012, una de las más poderosas de estas tormentas ocurrió el 9 de marzo, afectando nuestras comunicaciones y mucho más, mostrando que nuestra electricidad y electrónica son sensibles a lo que ocurre a 150 millones de kilómetros de distancia. Así, antes de leer este artículo, sugerimos que el lector lea aquel y luego vuelva, para saber un poco más de la poderosa tormenta solar que nos afectó en ese mes de marzo de 2012.
En un ciclo de 11 años el sol pasa por períodos de turbulencia y de calmarías que afectan lo que ocurre en la tierra. Los estudios muestran que estos ciclos están asociados a inviernos extremos en algunos países, veranos secos e incluso las oscilaciones del nivel de lagos, como el lago Victoria en África. Lo que más estos ciclos afectan no está muy bien definido, aunque muchos estudios se han realizado en los últimos años.
Sin embargo, sabemos que en las épocas de turbulencia cuando enormes manchas aparecen en la superficie del sol, algunas con más de 300 000 kilómetros de diámetro, explosiones que generan enormes llamas (flares) o protuberancias que expulsa al espacio una cantidad enorme de partículas eléctricas que alcanzan nuestro planeta, normalmente en intervalos que van algunas horas hasta algunos días. La figura 1 muestra estas manchas.
Los campos magnéticos de esas manchas alcanzan intensidades millares de veces mayor que el campo de la tierra y cuando las explosiones ocurren la materia también es expulsada con velocidades de cientos de kilómetros por segundo. En la figura 2 tenemos una de estas explosiones con la emisión de partículas y materia.
La tierra tiene un blindaje natural para estas partículas, pero ellas entran en la ionosfera que está cargada eléctricamente afectando sus propiedades e induciendo diversos tipos de fenómenos aquí abajo. Entrando en la ionosfera las partículas afectan también al campo magnético de la tierra moviéndose en una trayectoria espiral que busca acompañar sus líneas de fuerza. Esto significa que estas partículas tienden a desplazarse hacia los polos donde penetran con tal velocidad que provocan la ionización del aire.
El resultado es la producción de franjas de color de ionización, en el efecto que denominamos aurora boreal. Es claro que este fenómeno ocurre también en el polo sur, causando la aurora austral. Pero, afectando la conductividad de la ionosfera, las ondas de los sistemas de telecomunicación que dependen de esa capa o que tiene que atravesarla pueden ser afectadas.
Así, ocurre el efecto Mügel-Dellinger que es el silenciamiento por ciertos periodos de las comunicaciones en la banda de ondas cortas (3 - 30 MHz). Hoy en día, no dependemos tanto de este rango de frecuencia para las comunicaciones, pues los satélites e incluso los celulares están con sus frecuencias en la banda de VHF y UHF (30 MHz a 3 GHz) e incluso más, pero hubo tiempo en que esa era la banda de ondas más utilizada por los servicios de comunicaciones a larga distancia.
Pero esto no significa que las bandas de 30 MHz a 3 GHz no se ve afectada. La propagación aquí abajo o hasta un satélite puede ser afectada causando interrupciones de las señales y varios otros problemas. Las líneas de transmisión funcionan como antenas, pudiendo captar las señales inducidas por el movimiento de las partículas y con ello sufrir problemas como descargas responsables de apagones, transitorios y otros problemas. Además, el movimiento de las partículas en la ionosfera induce en la tierra corrientes que pueden entrar en los sistemas de distribución de energía, a través de sus conexiones a la tierra, causando serios problemas de funcionamiento.
Un ejemplo puede darse en las líneas de transmisión trifásicas de 138 000 voltios o más que están formadas por 3 cables elevados, dos correspondientes a la base y uno de tierra. Estos cables se convierten de 69 000 V en 18 300 V para distribución y luego en 110 V o 220 V para su uso.
Cuando ocurre una tormenta solar se generan corrientes inducidas geománticamente o del inglés GIC (Geomagnetically Induced Currents) que pueden entrar en los transformadores por la conexión a la tierra. Esta corriente continua inducida (DC) se suma a la AC de la línea para cambiar la relación de corriente entre la tensión AC y la corriente, lo que hace que el transformador sufra una sobrecarga durante la mitad de sus semiciclos operación. Esta corriente puede llegar a cientos de amperios en algunos casos, haciendo que las placas del núcleo del transformador vibren de forma intensa debido al fenómeno de la magnetostación. En un transformador de gran tamaño esta vibración puede ser suficiente para partir las chapas del núcleo o aún generar focos de calor.
Encontramos informaciones en internet de un transformador en la planta nuclear de Nueva Jersey que entró en apagón en 1989 debido a problemas de aislamiento acumulado por GIC durante varias tormentas solares. Los puntos de calor alcanzando temperaturas del orden de 400º C se han observado como causa de panes en transformadores. Se observa claramente que los aumentos y disminuciones de las fallas en transformadores siguen los ciclos de 11 años de las manchas solares.
El suelo en que está el transformador influye en la inducción de esas corrientes, pero típicamente ellas pueden tener intensidades de 5 a 10 A por las variaciones diarias de las corrientes inducidas, pero llegan a más de 200 amperios durante tempestades severas. Los costos de reparación de los transformadores son muy altos y, además, durante el tiempo en que están fuera de servicio la empresa de energía puede necesitar comprar energía de otras fuentes, lo que representa costos adicionales.
Otro problema que hay que tener en cuenta es la sensibilidad de los satélites que existen hoy en el espacio. Cientos de satélites de todo tipo en el valor de miles de millones de dólares tienen su integridad comprometida por el aumento de la radiación a la que están sujetos. Son satélites meteorológicos, de comunicaciones, con finalidades militares, científicas y mucho más, orbitando la tierra e incluso el sol.
Con el aumento del nivel de radiación, sus circuitos electrónicos son afectados e incluso dañados de modo irreversible sacándolos de operación. Los paneles solares, por ejemplo, usados ??en la alimentación de los circuitos pasan a recibir una intensidad anormal de radiación que reduce su rendimiento e incluso los puede tomar de operación.
Conclusión
El ciclo de los 11 años de las manchas solares afecta a muchos de nuestros equipos eléctricos y electrónicos, así como sistemas sensibles que, por su complejidad, se vuelven cada vez más críticos.
Así, la preocupación por protegerse estos sistemas, evitando la ocurrencia de fallas es una preocupación cada vez mayor para los proyectistas que deben conocer tanto la electrónica como la astrofísica, dado el envolvimiento cada vez mayor de los fenómenos cósmicos en el día a día de nuestra tecnología .