Retrasos aéreos y riesgo para la salud: el impacto del clima espacial

Historia del espacio

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El 9 de octubre de 2024, un avión Boeing 777-300ER de Cathay Pacific Airways despegó de Nueva York con destino a Hong Kong. La duración prevista del vuelo CX831 era de quince horas y media, pero en esta ocasión esperaba a los pasajeros y a la tripulación una sorpresa. Tras 13 horas y 49 minutos, el piloto recibió la orden de desviar la aeronave de la ruta planificada, y los pasajeros fueron informados de que realizarán una escala imprevista en el aeropuerto de Osaka, Japón. Tras repostar, el avión reanudó su viaje y llegó a China con casi dos horas de retraso. La historia se repitió apenas dos días después, cuando el mismo vuelo fue desviado nuevamente tras 14 horas y 22 minutos de vuelo.

El origen de la causa de la decisión de desvío estaba en el espacio: el responsable fue el Sol o, mejor dicho, la actividad en él. Entre el 3 y el 8 de octubre, nuestra estrella produjo varios eventos consecutivos: el 3 de octubre, una gran erupción generó una llamarada solar de clase X9, una de las más potentes del actual ciclo solar 25. Al mismo tiempo, fue expulsada una eyección de masa coronal (EMC), que alcanzó la Tierra tres días después y provocó una tormenta geomagnética moderada, clasificada por la NOAA como G2. El 8 de octubre ocurrió otra llamarada solar, más débil, pero acompañada por una eyección mucho más rápida que nos alcanzó el 10 de octubre y causó una fuerte tormenta geomagnética de clase G4.

Arriba: ruta del vuelo transpolar CX831 el día 9 de octubre del 2024. Abajo: rurta normal del mismo vuelo.

Las tormentas geomagnéticas forman parte de los fenómenos que los científicos llaman “clima espacial”, un término que se refiere a las condiciones variables en el sistema solar y la heliosfera, especialmente en las inmediaciones de la Tierra. El clima espacial puede provocar espectáculos grandiosos, como noches iluminadas por auroras, pero también pueden afectar negativamente a nuestros sistemas tecnológicos. Con el desvío del vuelo, Cathay Pacific Airways buscaba evitar posibles problemas ocasionados por la tormenta geomagnética.

La ruta del vuelo CX831 pasa cerca del Polo Norte, lo que lo convierte en un vuelo transpolar. Son precisamente las regiones polares las que suelen ser las más afectadas por el clima espacial. Las aerolíneas son muy conscientes de los riesgos asociados a las tormentas geomagnéticas, por lo que vigilan atentamente las alertas emitidas por las agencias espaciales, que monitorizan constantemente la actividad en el Sol y en el entorno de nuestro planeta. El desvío del vuelo CX831 hacia Japón significó alejarse de la zona polar y dirigirse a latitudes más seguras. Sin embargo, esto tuvo un costo: mayor distancia recorrida y tiempo de vuelo más largo resultaron en más consumo de combustible y, en consecuencia, gastos adicionales. Y este no es el único vuelo desviado debido a las causas provenientes del espacio.

En el pasado, el clima espacial ha obligado a las aerolíneas a modificar sus rutas en varias ocasiones. En enero de 2012, Delta Airlines tuvo que desviar ocho vuelos y United Airlines uno en trayectos entre ciudades de EE. UU. y Asia debido a una tormenta geomagnética moderada. En noviembre de 2003, durante la tormenta geomagnética extrema conocida como el “Evento de Halloween”, se produjeron importantes retrasos en muchos vuelos en EE. UU. Este tipo de interrupciones representan un problema económico considerable para las aerolíneas. Un informe especial de la NOAA indica que cada desvío de vuelos transpolares por causas de clima espacial cuesta a las aerolíneas en promedio más de 100.000 dólares. Esto no es trivial, considerando que un vuelo típico de 10 horas en EE. UU. genera unos 40.000 dólares en ingresos, mientras que la ganancia neta por pasajero en 2019 era de apenas algo más de 6 dólares.

Fenómenos del clima espacial

Para comprender los efectos del clima espacial en nuestro entorno, debemos conocer los distintos tipos de fenómenos asociados. Aunque algunos se originan en el espacio profundo, los que más afectan a la aviación tienen su origen en el Sol.

Los eventos más explosivos comienzan con la expulsión de enormes nubes de plasma y campo magnético desde la corona solar, llamadas eyecciones de masa coronal (EMC) que, cuando se detectan en el espacio interplanetario eyecciones, se denominan como eyecciones de masa coronal interplanetarias (EMCI). Estas estructuras pueden comenzar su viaje hacia los límites del sistema solar a velocidades de hasta 3000 km/s, aunque van frenando conforme se alejan del Sol. Si alcanzan la Tierra, pueden desencadenar tormentas geomagnéticas: variaciones intensas y rápidas en la dirección y la intensidad del campo magnético terrestre. Las más fuertes pueden inducir corrientes eléctricas en el suelo, interrumpir el suministro eléctrico, dañar satélites, etc.

Imagen del Sol en luz extrema ultravioleta. Fuente: NASA.

Las EMC suelen estar acompañadas de llamaradas solares: estallidos de luz que hacen que una región del Sol brilla mucho más que su entorno. Las más intensas se clasifican en la categoría X y emiten enormes cantidades de energía en forma de rayos X y luz ultravioleta extrema (EUV). Estas emisiones aumentan significativamente la ionización en la ionosfera iluminada, en especial en la capa D (50–90 km), lo que incrementa la absorción de ondas de radio de alta frecuencia (HF, entre 3 y 30 millones de hercios, MHz), provocando cortes en las comunicaciones. Estas ondas son esenciales porque permiten que los aviones y los radioaficionados se comuniquen con receptores ubicados “más allá del horizonte”.

Además, las llamaradas pueden emitir intensas ondas de radio. Si sus frecuencias abarcan las de la llamada banda L (1–2 miles de millones de de hercios, GHz), pueden afectar las señales de los sistemas globales de navegación por satélite (GNSS), degradando o interrumpiendo su funcionamiento.

Durante las llamaradas y el paso de EMCI también se liberan grandes cantidades de partículas solares de alta energía que en inglés reciben el nombre Solar Particle Events (SPE). Principalmente se trata de protones y electrones con energías que van desde decenas de miles hasta miles de millones de electronvoltios. Estos pueden aumentar la ionización en la ionosfera, dañar componentes electrónicos en satélites y suponen un riesgo para astronautas en órbita. Su efecto en el cuerpo humano es similar al de la radioactividad. Debido a que estas partículas entran en la atmósfera terrestre cerca de los polos, los pasajeros y tripulaciones de vuelos transpolares pueden quedar expuestos a dosis significativas de radiación durante tormentas geomagnéticas.

Radiación peligrosa durante vuelos

En realidad, los pasajeros y la tripulación siempre están expuestos a radiación invisible en cualquier vuelo, aunque los riesgos aún no se comprenden del todo. La exposición es mayor en vuelos largos a gran altitud, especialmente en vuelos transpolares, cuando los pasajeros y los miembros de la tripulación reciben dosis comparables a una radiografía de tórax. Durante los SPE los niveles de radiación aumentan y algunos estudios incluso sugieren que estos eventos representan un posible peligro para las azafatas, debido a que aumentan probabilidades de aborto espontáneo.

Ya en los años noventa, la Comisión Internacional de Protección Radiológica (ICRP) informó que las tripulaciones aéreas reciben dosis de radiación superiores a las de otros trabajadores, que están profesionalmente expuestos a estas emisiones. Esto motivó a la Unión Europea a establecer la obligatoriedad de monitorear estas dosis en vuelos comerciales. Sin embargo, muchos otros países, incluyendo los Estados Unidos, no adoptaron medidas similares, dejando a sus tripulaciones como el único grupo profesional sometido a radiación prolongada sin registro sistemático.

Dosis de radiación recibidas en algunos de los vuelos. Fuente: NOAA.

Las dosis debidas a la radiación de las partículas se mide en Sieverts (Sv). La exposición anual típica para una persona es de entre 1 y 10 milésimas de Sievert (mSv). El límite para trabajadores expuestos es de 20 mSv al año. 

Las recomendaciones para los miembros de las tripulaciones aéreas son elaboradas por organizaciones como la Comisión Internacional de Protección Radiológica (ICRP) y el Consejo Nacional de Protección Radiológica y Mediciones de Estados Unidos (NCRP). La Unión Europea adoptó estas recomendaciones en 1996 y en el año 2000 las implementó mediante la Directiva 96/29/EURATOM, de carácter jurídicamente vinculante.

En caso de miembros de las tripulaciones en los vuelos, la Administración Federal de Aviación de Estados Unidos (FAA) recomienda una combinación de las directrices de la ICRP y el NCRP: para los miembros de tripulación, el límite superior es un promedio de 20 mSv por año en un período de cinco años, sin que en ningún año individual se superen los 50 mSv. Para las tripulantes embarazadas se aplica una restricción adicional: la dosis no debe superar 0,5 mSv en un solo mes, y puede alcanzar como máximo 1 mSv durante el resto del embarazo, a partir del momento en que se notifica al empleador.

Durante los vuelos de larga duración, las dosis habituales son del orden de decenas de μSv. En los vuelos transpolares estas dosis aumenta significativamente, ya que a lo largo del año, las tripulaciones en estos vuelos pueden llegar a acumular hasta 6 mSv. 

Eventos de clima espacial, incluso los que se califican como moderados, pueden aumentar considerablemente las dosis recibidas. Un ejemplo extremo ocurrió el 20 de enero de 2005, cuando uno de los SPE más intensos produjo niveles de hasta 2 mSv por hora en las regiones polares, a 12 km de altitud. Los niveles altos persistieron durante 12 horas. Por otro lado, los niveles de radiación no aumentaron a latitudes menores de 40°.

Clima espacial y comunicaciones

Los vuelos transpolares se introdujeron en 1997 para acortar tiempos de vuelo y reducir costes en ciertas rutas. Durante los siguientes dos años se llevaron a cabo unos cuantos vuelos de prueba. Sin embargo, ya en 2007 se han realizado 6930 vuelos de este tipo, y en 2018 ya se habían multiplicado hasta unos 20.000.

Uno de los principales retos de los vuelos transpolares es la comunicación. Los pilotos suelen usar ondas de radio de frecuencias muy altas (VHF por sus siglas en inglés, 30–300 millones de hercios MHz). En particular el sistema ACARS ocupa frecuencias de 131.550 MHz y el CPDLC 118–137 MHz. Sin embargo, el alcance de estas señales es de tan solo 160 km, insuficiente en zonas remotas. Es por esto que en los vuelos transpolares se usan ondas de radio de altas frecuencias (HF, 3–30 MHz) o comunicaciones satelitales. Los sistemas tradicionales vía satélite geoestacionario no cubren latitudes superiores a 82° Por lo que una opción reciente son los sistemas como Iridium y Starlink.

La razón por la que las ondas HF pueden usarse para las comunicaciones a largas distancias es que se reflejan de la ionosfera y de la superficie terrestre, por lo que a lo largo de su trayectoria quedan atrapadas en el espacio delimitado por estas dos capas. No obstante, si  la ionización en la capa D de la ionosfera aumenta debido a las llamaradas o SPE, aumenta la absorbción de las ondas HF, causando interrupciones. Los eventos SPE afectan principalmente a las regiones polares, donde las perturbaciones en el lado diurno, iluminado por el Sol, son más intensas que en el lado nocturno. En menor medida, las áreas afectadas pueden extenderse hasta aproximadamente 60–65° de latitud geográfica. Las fulguraciones solares también incrementan el grado de ionización en la ionosfera, aunque su impacto es mayor en las regiones cercanas al ecuador.

Un ejemplo notable ocurrió el 19 de octubre de 2003: tres vuelos transpolares de Nueva York a Hong Kong fueron desviados por un apagón de dos horas en las comunicaciones HF, con un costo extra de 12.000 kg de combustible por vuelo y reducción de carga útil en 7400 kg.

Propagación de las ondas de radio de frecuencia alta (HF). Fuente: Wikipedia.

Un estudio reciente calculó que las pérdidas económicas diarias debidas al clima espacial en vuelos transpolares podrían alcanzar 0,88 millones de euros por cancelaciones, 0,18–0,56 millones por desvíos y 0,85 millones por ajustes en itinerarios. En eventos extremos, como la tormenta geomagnética de 2003, las pérdidas podrían ascender entre 2,77 y 48,97 millones de euros.

Retrasos de vuelos

Algunas investigaciones recientes muestran que el clima espacial puede influir en los retrasos de vuelos. Por supuesto, los retrasos suelen producirse por motivos mucho más terrenales: congestión del tráfico aéreo, mal tiempo meteorológico o cuestiones de seguridad. Los retrasos incluso presentan cierta periodicidad: las tendencias varían entre la mañana y la noche durante un mismo día, así como entre distintos días de la semana y estaciones del año.

Un grupo de investigadores, que analizó aproximadamente 4 millones de vuelos en China entre 2015 y 2019, encontró que, en comparación con periodos de calma, durante episodios de clima espacial perturbado el tiempo medio de retraso en llegadas aumentaba en un 81.34 %, mientras que la tasa de retrasos de 30 minutos crecía en un 21.45 %.

En otro estudio, el mismo equipo examinó el impacto de las fulguraciones solares sobre los retrasos aéreos. Los resultados mostraron que, en promedio, los retrasos en salidas bajo la influencia de fulguraciones aumentaban en un 20.68 % (7.67 minutos) respecto a los periodos tranquilos. Estos retrasos presentan además una dependencia geográfica: en promedio, cada grado de latitud más cerca al ecuador supone un aumento de 0.35 minutos.

Chorros polares sobre el continente norteamericano. Fuente: Wikipedia.

Algunas investigaciones también sugieren que el clima espacial afecta a las corrientes en chorros polares, fuertes flujos de aire que soplan entre 7 y 12 kilómetros de altitud en dirección oeste-este. Se ha observado que los SPEs desplazan los chorros polares hacia los polos terrestres, lo que repercute en la velocidad de cruce de los vuelos transpolares. Durante periodos de clima espacial perturbado, la duración del 86,67 % de los vuelos en dirección oeste aumentó, mientras que la del 86,67 % de los vuelos en dirección este disminuyó, con una reducción media de aproximadamente 7 minutos.

Lecturas complementarias para los más curiosos

1. Cathay Pacific Airways flight from New York JFK to Hong Kong diverted to Japan twice, Airlive.
2. Cathay Pacific flight from New York to Hong Kong diverted due to geomagnetic storm, myNews.
3. Effects  of Space Weather to Polar Flight Routes, Hong Kong Observatory.
4. Solar Storm Causes Flights to be Rerouted, abc News.
5. X17 Solar Flare and Solar Storm of October 28, 2003, The Sun Today.
6. Storms on the Sun – Space Weather Prediction Center, NOAA.
7. How 10-Hour Flight Make Money? Everything You Need to Know, Aviation A2Z.
8. IATA Economics Chart of the Week, IATA, 7 june 2019
9. The Effect of Solar Radio Bursts on GNSS Signals, in Extreme Events in Geospace Origins, Predictability, and Consequences 2018, Pages 541-554
10. Cosmic radiation exposure of aircrew and space crew, International Atomic Energy Agency
11. Meier, M.M.; Copeland, K.; Klöble, K.E.J.; Matthiä, D.; Plettenberg, M.C.; Schennetten, K.; Wirtz, M.; Hellweg, C.E. Radiation in the Atmosphere—A Hazard to Aviation Safety? Atmosphere 2020, 11, 1358. https://doi.org/10.3390/atmos11121358
12. Knipp, D. J. (2017), Essential science for understanding risks from radiation for airline passengers and crews, Space Weather, 15, 549–552, doi:10.1002/2017SW001639.
13. Matthiä, D., B. Heber, G. Reitz, M. Meier, L. Sihver, T. Berger, and K. Herbst (2009), Temporal and spatial evolution of the solar energetic particle event on 20 January 2005 and resulting radiation doses in aviation, J. Geophys. Res., 114, A08104, doi:10.1029/2009JA014125.
14. Kataoka, R., Nakagawa, Y., and Sato, T.: Radiation dose of aircrews during a solar proton event without ground-level enhancement, Ann. Geophys., 33, 75–78, https://doi.org/10.5194/angeo-33-75-2015, 2015. 
15. Sauer, H. H., and D. C. Wilkinson (2008), Global mapping of ionospheric HF/VHF radio wave absorption due to solar energetic protons, Space Weather, 6, S12002, doi:10.1029/2008SW000399.
16. HARP, European Space Agency.
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19. Xue, D., Wu, L., Xu, T., Wu, C.-L., Wang, Z., & He, Z. (2024). Space weather effects on transportation systems: A review of current understanding and future outlook. Space Weather, 22, e2024SW004055. https://doi.org/10.1029/2024SW004055
20. Xue, D., Yang, J., Liu, Z., & Yu, S. (2023). Examining the economic costs of the 2003 Halloween storm effects on the North Hemisphere aviation using flight data in 2019. Space Weather, 21, e2022SW003381. https://doi.org/10.1029/2022SW003381
21. Mamoru Ishii, Jens Berdermann, Biagio Forte, Mike Hapgood, Mario M. Bisi, Vincenzo Romano (2024), Space weather impact on radio communication and navigation, Advances in Space Research, In Press, https://doi.org/10.1016/j.asr.2024.01.043
22. J.B.L. Jones, R.D. Bentley, R. Hunter, R.H.A. Iles, G.C. Taylor, D.J. Thomas (2005), Space weather and commercial airlines, Advances in Space Research, Volume 36, Issue 12, 2258-2267, https://doi-org.pbidi.unam.mx:2443/10.1016/j.asr.2004.04.017
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24. Xu, X.H., Wang, Y., Wei, F.S. et al. Characteristics of flight delays during solar flares. Sci Rep 13, 6101 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33306-9
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26. Jet Stream, Wikipedia.