Space weather data processing and impact on critical systems

Space Weather describes the physical and phenomenological conditions of the Sun, the interplanetary medium and the near-Earth environment that may affect technological and biological systems. The increasing dependence of modern society on space and groundbased infrastructures makes the monitoring and assessment of Space Weather impacts operationally essential. This thesis addresses the integration of available measurements, physical models and risk indicators into practical tools capable of evaluating these impacts both retrospectively and in near-real time. Three complementary tools have been developed. The first one estimates effective radiation dose rates at flight altitudes caused by Space Weather phenomena, deriving operational indicators for aviation support. The tool operates in near-real time and for post-flight analysis, providing dose estimations within defined altitude limits. The second tool evaluates internal and surface charging risks in geostationary orbit using satellite electron flux measurements. Internal charging is associated with high energy electron fluxes, while surface charging relates to low energy fluxes. A real-time mode produces internal charging risk assessment, and a long-term mode supports anomaly characterization. The third tool estimates local geomagnetic disturbance levels through the computation of K indices from geomagnetic data measured by stations distributed around the world. The results show that reliable local K estimations can be obtained within defined latitudinal bounds. Overall, this work demonstrates the feasibility of integrating heterogeneous SpaceWeather data and models. The main contribution lies in the design and validation of flexible tools capable of supporting both scientific analysis and practical risk awareness.

La meteorologia spaziale o Space Weather descrive le condizioni fisiche e fenomenologiche del Sole, del mezzo interplanetario e dell’ambiente circumterrestre che possono influenzare sistemi tecnologici e biologici. La crescente dipendenza della società moderna da infrastrutture spaziali e terrestri rende il monitoraggio e la valutazione degli impatti dello Space Weather operativamente essenziali. Questa tesi affronta l’integrazione di misure disponibili, modelli fisici e indicatori di rischio nello sviluppo di strumenti pratici in grado di valutare tali impatti sia in modalità retrospettiva sia in tempo quasi reale. Sono stati sviluppati tre strumenti complementari. Il primo stima i ratei di dose efficace alle quote di volo causati da fenomeni di Space Weather, derivando indicatori operativi a supporto dell’aviazione. Lo strumento opera sia in tempo quasi reale sia per analisi post-volo, fornendo stime di dose entro limiti di quota definiti. Il secondo strumento valuta il rischio di carica interna e superficiale in orbita geostazionaria sulla base di misure del flusso di elettroni satellitari. La carica interna è associata a flussi di elettroni ad alta energia, mentre la carica superficiale è correlata a flussi a bassa energia. Una modalità in tempo reale consente la valutazione del rischio di carica interna, mentre una modalità di analisi a lungo termine supporta la caratterizzazione di eventuali anomalie. Il terzo strumento stima il livello locale di disturbo geomagnetico mediante il calcolo degli indici K a partire da dati geomagnetici misurati da stazioni distribuite a livello globale. I risultati mostrano che è possibile ottenere stime affidabili dell’indice K locale entro determinati limiti latitudinali. Nel complesso, il lavoro dimostra la fattibilità dell’integrazione di dati e modelli eterogenei di Space Weather. Il contributo principale risiede nella progettazione e validazione di strumenti flessibili, capaci di supportare sia l’analisi scientifica sia la consapevolezza operativa del rischio.