Publicado: 
03 de diciembre de 2021

Los vientos fuertes generan campos eléctricos en la atmósfera superior, descubre la misión ICON de la NASA

Concepto artístico de la misión ICON de la NASA. Créditos: NASA
Concepto artístico de la misión ICON de la NASA. Créditos: NASA

Lo que sucede en la Tierra no se queda en la Tierra.

Utilizando observaciones de la misión ICON de la NASA, científicos presentaron las primeras mediciones directas de una región en los límites con el espacio teorizada desde hace mucho tiempo como una dinamo de la Tierra: un generador eléctrico impulsado por el viento, que se extiende por todo el planeta a unos 100 kilómetros (60 millas) por encima de nuestras cabezas. Esta dinamo se agita en la ionosfera, que es la frontera con carga eléctrica situada entre la Tierra y el espacio. Es generada por vientos de marea en la atmósfera superior que son más rápidos que la mayoría de los huracanes y que se elevan desde la atmósfera inferior, creando un entorno eléctrico que puede afectar los satélites y la tecnología en la Tierra.

El nuevo trabajo, publicado el 29 de noviembre en Nature Geoscience, mejora nuestra comprensión de la ionosfera, lo que ayuda a los científicos a predecir mejor las condiciones meteorológicas en el espacio y proteger nuestra tecnología de sus efectos.

Lanzado en 2019, el Explorador de conexión ionosférica (ICON, por sus siglas en inglés) es una misión para desentrañar cómo las condiciones meteorológicas de la Tierra interactúan con las condiciones meteorológicas en el espacio. Las señales de radio y GPS atraviesan la ionosfera, que alberga las auroras y la Estación Espacial Internacional. Estas señales pueden ser interrumpidas por bolsas de vacío o densas oleadas de partículas con carga eléctrica.

Desde hace mucho tiempo, los científicos que estudian la atmósfera y las condiciones meteorológicas espaciales han incluido la dinamo de la Tierra en sus modelos porque sabían que tenía efectos importantes. Pero con poca información, tenían que hacer algunas suposiciones sobre cómo esta funciona. Los datos de ICON son la primera observación concreta de los vientos que impulsan la dinamo —que eventualmente influye en las condiciones meteorológicas espaciales— para incorporarlos en esos modelos.

“El primer año de ICON en el espacio ha demostrado que predecir estos vientos es clave para mejorar nuestra capacidad de predecir lo que sucede en la ionosfera”, dijo Thomas Immel, investigador principal de ICON en la Universidad de California en Berkeley y autor principal del nuevo estudio científico.

Un generador a gran altitud de la Tierra

La ionosfera es como un mar salpicado de partículas con carga eléctrica; es creada por el Sol y se entremezcla con la atmósfera superior neutra. Atrapada entre la Tierra y el espacio, la ionosfera responde a los cambios tanto del Sol arriba como de la Tierra abajo. Cuánta influencia proviene de cada lado es lo que los investigadores están interesados en averiguar. Al estudiar un año de datos de ICON, los investigadores hallaron que gran parte de los cambios que observaban se originaban en la atmósfera inferior.

Los generadores funcionan moviendo repetidamente un conductor portador de electricidad —como un cable de cobre— a través de un campo magnético. Llena de gases con carga eléctrica llamados plasma, la ionosfera actúa como un cable, o más bien, como una maraña de cables: la electricidad fluye a través de ella. Al igual que la dinamo en el núcleo de la Tierra, la dinamo en la atmósfera produce campos electromagnéticos a partir del movimiento.

Los fuertes vientos en la termosfera, una capa de la atmósfera superior conocida por sus altas temperaturas, empujan el plasma portador de corriente en la ionosfera a través de líneas invisibles de campos magnéticos que forman un arco alrededor de la Tierra como una cebolla. El viento tiende más a empujar partículas grandes con carga positiva que electrones pequeños con carga negativa. “Se obtienen partículas positivas que se mueven de manera diferente a las partículas negativas”, dijo el coautor Brian Harding, físico de la Universidad de California en Berkeley. “Eso es una corriente eléctrica”.

En la ionosfera, los vientos a gran altitud tienden más a empujar partículas grandes con carga positiva que electrones pequeños con carga negativa. Esta separación entre iones y electrones crea un campo eléctrico en la región de la dinamo, cerca de la base de la ionosfera. Créditos: Laboratorio de Animación Conceptual de la NASA
En la ionosfera, los vientos a gran altitud tienden más a empujar partículas grandes con carga positiva que electrones pequeños con carga negativa. Esta separación entre iones y electrones crea un campo eléctrico en la región de la dinamo, cerca de la base de la ionosfera. Créditos: Laboratorio de Animación Conceptual de la NASA

En la mayoría de los generadores, estos componentes están estrechamente unidos para que se mantengan y actúen de manera predecible. Pero la ionosfera es libre de moverse como quiera. “La corriente genera su propio campo magnético, que combate el campo magnético de la Tierra a medida que pasa”, dijo Immel. “Así que terminas con un cable que trata de alejarse de ti. Es un generador desordenado”.

Seguir los caprichos de la ionosfera es clave para predecir sus posibles impactos en las condiciones meteorológicas espaciales. Dependiendo de la dirección en la que sople el viento, el plasma de la ionosfera sale disparado al espacio o se precipita hacia la Tierra. Este comportamiento es el resultado del tira y afloja entre la ionosfera y los campos electromagnéticos de la Tierra.

La dinamo, que se encuentra en el extremo inferior de la ionosfera, ha sido un misterio durante mucho tiempo porque es difícil de observar. Demasiado alta para los globos científicos y demasiado baja para los satélites, ha eludido muchas de las herramientas que tienen los investigadores para estudiar el espacio cercano a la Tierra. ICON está especialmente equipado para investigar esta parte de la ionosfera desde arriba, aprovechando el brillo natural de la atmósfera superior para detectar el movimiento del plasma.

ICON observa simultáneamente los vientos poderosos y el plasma migratorio. “Esta ha sido la primera vez que hemos podido saber cuánto contribuye el viento al comportamiento de la ionosfera, sin hacer ninguna suposición”, dijo Astrid Maute, otra coautora del estudio y científica de ICON en el Centro Nacional de Investigación Atmosférica en Boulder, Colorado.

Solo en la última década, dijo Immel, los científicos se han dado cuenta de cuánto varían esos vientos ascendentes. “No se esperaba que la atmósfera superior cambiara rápidamente”, dijo. “Pero lo hace, día a día. Hemos descubierto que todo esto se debe a los cambios generados desde la atmósfera inferior”.

La energía del viento

Son conocidos los vientos que rozan la superficie de la Tierra, desde suaves brisas hasta fuertes ráfagas que soplan en un sentido y luego en el otro.

Los vientos a gran altura son otra cosa totalmente diferente. Estos vientos en la termosfera inferior, a una altura de 97 a 153 kilómetros (60 a 95 millas) sobre el suelo, pueden soplar en la misma dirección a una misma velocidad —alrededor de 402 kph (250 mph)— durante varias horas antes de cambiar repentinamente de dirección. (En comparación, los vientos de los huracanes de la categoría 5, la más fuerte, tienen una velocidad de 253 kph (157 mph) o más).

Estos cambios dramáticos son el resultado de las ondas de aire, llamadas mareas, que nacen en la superficie de la Tierra cuando la atmósfera inferior se calienta durante el día y luego se enfría por la noche. Se elevan a diario por el cielo, produciendo cambios desde abajo.

Los ciclos diarios de formación de nubes aportan energía a la atmósfera que, a su vez, crea un ciclo diario de calentamiento y enfriamiento. El calentamiento y el enfriamiento empujan los patrones de los vientos hacia las regiones donde se forman las nubes. Estos vientos eventualmente forman una marea atmosférica que se propaga a través de la atmósfera. Créditos: Laboratorio de Animación Conceptual de la NASA
Los ciclos diarios de formación de nubes aportan energía a la atmósfera que, a su vez, crea un ciclo diario de calentamiento y enfriamiento. El calentamiento y el enfriamiento empujan los patrones de los vientos hacia las regiones donde se forman las nubes. Estos vientos eventualmente forman una marea atmosférica que se propaga a través de la atmósfera. Créditos: Laboratorio de Animación Conceptual de la NASA

Cuanto más se aleja la atmósfera de la superficie, más delgada se vuelve y menos turbulencia hay para interrumpir estos movimientos. Eso significa que las mareas pequeñas generadas cerca de la superficie pueden crecer mucho más cuando alcanzan la atmósfera superior. “Los cambios en los vientos a esa altura están controlados principalmente por lo que sucede abajo”, dijo Harding.

Las nuevas mediciones de vientos de ICON ayudan a los científicos a comprender estos patrones de mareas que se extienden por todo el mundo y sus efectos.

Las mareas atmosféricas creadas por las selvas tropicales forman un patrón de mareas con tres picos principales que se extienden por todo el mundo. Estos se desplazan alrededor de la Tierra a medida que gira. Créditos: Laboratorio de Animación Conceptual de la NASA
Las mareas atmosféricas creadas por las selvas tropicales forman un patrón de mareas con tres picos principales que se extienden por todo el mundo. Estos se desplazan alrededor de la Tierra a medida que gira. Créditos: Laboratorio de Animación Conceptual de la NASA

Las ondas de las mareas se elevan por el cielo, aumentando su fuerza y creciendo antes de que sus ráfagas atraviesen la ionosfera. La dinamo eléctrica zumba en respuesta.

Los científicos analizaron el primer año de datos de ICON y encontraron que los vientos a gran altitud tienen una fuerte influencia en la ionosfera. “Trazamos el patrón de cómo se mueve la ionosfera, y había una estructura clara en forma de onda”, dijo Harding. Los cambios en los vientos, explicó, correspondían directamente a la danza del plasma a 596 kilómetros (370 millas) sobre la superficie de la Tierra.

A una altura de 97 a 153 kilómetros (60 a 95 millas) sobre el suelo, los vientos asociados con las mareas atmosféricas (flechas blancas) mueven los iones y los separan de los electrones, formando un campo eléctrico (línea azul) en la región de la dinamo. El campo eléctrico atraviesa la atmósfera superior y empuja el plasma (rosa) hacia arriba y hacia abajo como si fuera una fuente. Créditos: Laboratorio de Animación Conceptual de la NASA
A una altura de 97 a 153 kilómetros (60 a 95 millas) sobre el suelo, los vientos asociados con las mareas atmosféricas (flechas blancas) mueven los iones y los separan de los electrones, formando un campo eléctrico (línea azul) en la región de la dinamo. El campo eléctrico atraviesa la atmósfera superior y empuja el plasma (rosa) hacia arriba y hacia abajo como si fuera una fuente. Créditos: Laboratorio de Animación Conceptual de la NASA

“La mitad del movimiento del plasma se puede atribuir a los vientos que observamos allí mismo en esa misma línea de campo magnético”, dijo Immel. “Eso indica que es una observación importante que debemos hacer si queremos predecir lo que está haciendo el plasma”.

El primer año de observaciones de ICON coincidió con el mínimo solar, la fase tranquila del ciclo de actividad de 11 años del Sol. Durante este tiempo, el comportamiento del Sol fue un zumbido bajo y constante. “Sabemos que el Sol no está haciendo mucho, pero vimos mucha variabilidad desde abajo y luego cambios notables en la ionosfera”, dijo Immel. Eso les indicó a los investigadores que podían descartar al Sol como la principal influencia.

A medida que la fase activa del Sol se intensifica, los científicos podrán estudiar cambios e interacciones más complejos entre el espacio y la atmósfera de la Tierra.

Immel manifestó su emoción por obtener esta confirmación tan esperada de las teorías de la ionosfera. “En los datos mismos hallamos la mitad de las causas que hacen que la ionosfera se comporte como lo hace”, dijo. “Esto es lo que queríamos saber”.

Aún así, ha dicho Maute, “esto deja espacio para explorar qué más contribuye al comportamiento de la ionosfera”.

Por Lina Tran
Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, Greenbelt, Maryland

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