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Una tormenta geomagnética ayuda a resolver el misterio de las partículas que golpean la magnetosfera de la Tierra

Una tormenta geomagnética del 17 de enero de 2013 propocionó observaciones únicas que finalmente resolvieron un problema científico existente desde hace mucho tiempo: cómo se pierden las partículas que golpean la magnetosfera de la Tierra. Un posible mecanismo implicado es la presencia de ciertas ondas electromagnéticas de dispersión de partículas en la atmósfera de la Tierra, pero más recientemente, se ha propuesto otro mecanismo que hace que las partículas se pierdan en el espacio interplanetario.
Ahora, el científico Yuri Shprits, del Centro de Investigación Alemán de Geociencias GFZ y la Universidad de Potsdam, en Alemania, junto con colegas de varias instituciones, ha descubierto que ambos mecanismos juegan un papel que afecta a las partículas a diferentes velocidades, como se detalla en un artículo que se publica en 'Nature Communications'.
"Este estudio resuelve algunas cuestiones científicas fundamentales sobre nuestro entorno espacial y también puede ayudar a entender los procesos fundamentales que suceden en otros lugares en el espacio, en el Sol, en planetas exteriores, galaxias distantes y exoplanetas", dice Yuri Shprits. Y añade: "Este estudio nos ayudará también a predecir y modelar el entorno espacial y proteger los valiosos satélites en el espacio".
Usando las mediciones de la primera misión del satélite estadounidense, el Explorer 1, lanzado el 31 de enero de 1958, el físico James Van Allen descubrió que el espacio era radiactivo. La Tierra está rodeada por dos regiones en forma de rosquilla de muy alta radiación de partículas anidando en ellas que se conocen como cinturones de radiación de Van Allen.
Las partículas de alta energía que pueblan los cinturones crean un ambiente muy duro para los satélites y los seres humanos en el espacio. Con una energía muy alta y volando a una velocidad muy cercana a la velocidad de la luz, estas partículas pueden inducir cargas diferenciales en la superficie o en el interior de la nave y causar numerosas anomalías en los satélites para las telecomunicaciones, la navegación, científicos y de observación terrestre. Las partículas de las cuales es más difícil de proteger a las naves espaciales son de electrones relativistas y ultra-relativistas.
En los últimos años, ha habido mucho interés en entender la radiación de los cinturones de Van Allen porque ahora más que nunca, dependemos de la tecnología en el espacio. Las nuevas tecnologías de órbita eléctrica en alza actualmente requieren que los satélites de telecomunicaciones pasen mucho tiempo en los cinturones de Van Allen y los satélites GPS operan en el corazón de los cinturones. El incremento de la miniaturización de la electrónica del espacio hace que los satélites sean más vulnerables a la radiación espacial que nunca.
LOS FLUJOS DE PARTÍCULAS EN LOS CINTURONES DE RADIACIÓN SON MUY CAMBIANTES
Aunque es posible aumentar el blindaje de los satélites y protegerlos de partículas relativistas (velocidades superiores a 0,9 la velocidad de la luz), progegerlos de partículas ultra-relativistas (velocidades de más de 0,99 la velocidad de la luz) es prácticamente imposible. Comprender la dinámica de estas poblaciones de partículas ha sido un gran reto para los científicos desde que se descubrió la radiación espacial hace más de medio siglo.
Las primeras observaciones mostraron que los cinturones son muy dinámicos. A diferencia de los océanos y las atmósferas que no cambian significativamente en escalas de tiempo cortas, los flujos de partículas en los cinturones de radiación pueden cambiar hasta en un factor de 1.000 en cuestión de horas o menos. Los más dramáticos son los llamados 'abandonos' que a menudo se producen durante las tormentas geomagnéticas que son causadas por las erupciones solares o el viento solar rápido de los agujeros coronarios.
Desde finales de la década de 1960 y principios de la década de 1970, la investigación se ha dedicado a entender la pérdida de electrones de los cinturones de Van Allen. Los investigadores estudiaron observaciones de la tierra, observaciones de globo de estallidos de rayos X y observaciones in situ. Los mecanismos de pérdida siguieron siendo difíciles de encontrar y siguen sin entenderse.
"Y sin embargo se requiere comprender los procesos de pérdida para especificar el entorno de radiación y desarrollar modelos que pueden pronosticar el ambiente de radiación", dice Yuri Shprits, que recientemente se unió al Centro de Investigación Alemán de Geociencias GFZ en un nombramiento conjunto con la Universidad de Potsdam.
Una de las teorías propuestas fue que las partículas se dispersan en la atmósfera por las ondas electromagnéticas ión-ciclotrón (EMIC, por sus siglas en inglés), que son producidas por la inyección de iones que son más pesados ??que los electrones y llevan una gran cantidad de energía. Estas ondas pueden potencialmente dispersar electrones en la atmósfera. Hasta hace poco, siguió siendo el candidato más probable para la pérdida de electrones.
En 2006, Yuri Shprits y colegas sugirieron otro mecanismo: las partículas se pierden en el espacio interplanetario, lo que resulta en el agotamiento de la densidad de las partículas y la difusión hacia el exterior de electrones. Esta teoría ha recibido mucha atención y una serie de estudios proporcionan pruebas de observación para este mecanismo de pérdida.
El modelado de la mayor parte de las poblaciones de electrones a energías relativistas también parecía favorecer este mecanismo y no requería procesos adicionales de pérdida de las olas EMIC. No quedó claro qué mecanismo funcionaba o dominaba durante las tormentas, pero explicaba los abandonos más dramáticos de la población en el entorno espacial.
"La combinación única de los acontecimientos que ocurrieron antes y durante las tormentas geomagnéticas del 17 de enero de 2013, finalmente nos permitió resolver definitivamente esta cuestión científica existente desde hace mucho tiempo", dice el autor principal del estudio, el profesor Yuri Shprits.
La combinación de condiciones durante las tormantes del 17 de enero de 2013 proporciona una coincidencia muy singular de diferentes factores que finalmente permitieron que científicos de GFZ, Universidad de Potsdam, UCLA, Stanford, Berkeley, Augsburg College, LASP, Universidad de New Hampshire y Sodankylä Geophysical Observatory resolvieran esta cuestión.
Entre las coincidencias afortunadas que ayudaron a los investigadores estaban que los cinturones estaban poblados por una tormenta anterior que permitió a los detectores medir de manera detallada las distribuciones de las partículas en el espacio, la energía y la dirección de propagación durante esta tormenta; que los flujos más intensos de relativista y ultra-relativista se encuentran en diferentes ubicaciones en los cinturones, y por lo tanto, las poblaciones de partículas no se afectan entre sí; y que las partículas ultra-relativistas fueron localizadas en el interior de la magnetosfera y no se vieron afectadas por la pérdida de la magnetopausa.
Mediciones detalladas mostraron que las ondas EMIC fueron de hecho dispersando partículas a la atmósfera, pero sólo afectaron a los electrones ultra-relativistas pero no a las partículas relativistas que fueron consideradas en muchos estudios anteriores. A energías ultra relativistas, los electrones salen muy cerca de la velocidad de la luz y en su marco de referencia giran alrededor de la línea de campo en el mismo sentido que las ondas.
Distribuciones en la distancia radial, la energía y la dirección de la velocidad de proporcionaron evidencia definitiva de que este mecanismo de pérdida es más eficiente a energías ultra-relativistas. El modelado detallado incluyendo las ondas EMIC mostró muy buenos resultados, básicamente idénticos a las observaciones, confirmando una vez más las conclusiones del estudio.