Se explica cómo la Tierra reduce el viento solar a una suave brisa

Un estudio dirigido por la Universidad de Maryland ha descrito las primeras observaciones del proceso por el que la Tierra convierte la velocidad del viento solar en calor.

A medida que la Tierra orbita el Sol a velocidad supersónica, corta un camino a través del viento solar. Este flujo rápido de partículas cargadas, o plasma, lanzado desde las capas externas del sol bombardearía la atmósfera de la Tierra si no fuera por la protección del campo magnético de la Tierra.

Así como una lancha motora crea una onda en forma de arco delante de sí mientras el casco empuja a través del agua, la Tierra crea un efecto similar, llamado 'choque de proa', cuando empuja a través del viento solar.

Los científicos han tratado de explicar cómo el campo magnético de la Tierra puede hacer a un lado el poderoso viento solar sin desatar una calamidad. Han sabido parte de la respuesta durante mucho tiempo: el golpe de arco convierte la energía del viento solar en calor almacenado en electrones e iones. Pero ahora, los investigadores tienen nuevas e importantes pistas sobre cómo ocurre este proceso.

Así, los investigadores encontraron que cuando los electrones en el viento solar chocan con el arco eléctrico, aceleran momentáneamente a una velocidad tan alta que la corriente de electrones se vuelve inestable y se descompone. Este proceso de descomposición roba los electrones de su alta velocidad y convierte la energía en calor.

Los resultados agregan una nueva dimensión importante a la comprensión de los científicos del campo magnético de la Tierra y su capacidad para proteger al planeta de partículas nocivas y radiación. El trabajo de investigación se ha publicado este jueves en la revista 'Physical Review Letters'.

"Si tuviera que pararse en la cima de una montaña, podría ser derribado por un viento rápido", explica el autor principal del estudio y científico asociado de investigación en el Departamento de Astronomía de la UMD, Li-Jen Chen. "Afortunadamente, cuando el viento solar se estrella contra el campo magnético de la Tierra, la descarga del arco nos protege al disminuir la velocidad de este viento y convertirlo en una agradable brisa cálida. Ahora tenemos una mejor idea de cómo sucede esto", señala.

MEDICIONES 3D CADA 30 MILISEGUNDOS

Los científicos obtuvieron sus datos de la misión Magnetospheric Multiscale (MMS) de la NASA. Esta misión consta de cuatro satélites idénticos que llevan instrumentos para estudiar la física del campo magnético de la Tierra a medida que interactúa con el viento solar. Los satélites obtuvieron mediciones tridimensionales cada 30 milisegundos, lo que dio como resultado cientos de mediciones dentro de la capa de choque del arco. Estas mediciones precisas y de alta frecuencia de la misión MMS fueron fundamentales para el estudio.

"Las mediciones extremadamente rápidas de MMS nos permitieron finalmente ver el proceso de calentamiento de electrones en la delgada capa de choque", explica el científico principal del proyecto en el Goddard Space Flight Center de la NASA, Thomas Moore, coautor del estudio. "Esto es innovador porque ahora tenemos la capacidad de identificar el mecanismo en funcionamiento, en lugar de simplemente observar sus consecuencias", añade.

Los científicos han sabido por algún tiempo que el impacto del arco es de alguna manera capaz de convertir la energía en electrones en calor sin ninguna colisión directa entre los electrones. Esto significa que la fricción, una forma común de generar calor en la Tierra, no es responsable del calentamiento de electrones en la descarga de proa.

"Las nuevas observaciones de la aceleración de electrones en el choque del arco reescriben la comprensión actual del calentamiento de electrones", afirma Chen, también es científico investigador en el Goddard Space Flight Center de la NASA. "Los investigadores no esperaban que la descarga del arco pudiera acelerar la corriente de electrones del viento solar a las velocidades que observamos", pone de ejemplo.

UN GOLPE "INESPERADO"

En una fase anterior de la misión de MMS, los satélites generalmente orbitaban mucho más cerca de la Tierra, por lo que generalmente fallaban el impacto del arco. Sin embargo, un estallido inesperado de viento solar empujó el arco de choque más cerca de la Tierra, lo que permitió a los satélites capturar datos raros e informativos.

Aprovechando esta ventaja, los investigadores observaron la corriente de electrones del viento solar antes, durante y después del encuentro con la descarga de proa. La corriente de electrones acelerada por el choque solo tomó 90 milisegundos para desestabilizarse y descomponerse por completo.

"El estudio del calentamiento de electrones es importante no solo para comprender cómo protege el arco la Tierra, sino también para los satélites, los viajes espaciales y quizás explorar otros planetas en el futuro", dice Chen.

Al dar la primera imagen clara de lo que están haciendo los electrones en el choque de proa, Chen y sus colaboradores esperan alentar a otros científicos a realizar simulaciones por computadora, más observaciones espaciales y experimentos de laboratorio sobre calentamiento de electrones. Chen también espera profundizar en los mecanismos por los cuales el choque del arco acelera la corriente de electrones.

"Por lo general, los científicos tienen simulaciones o teorías para predecir lo que está sucediendo y luego diseñan experimentos para medirlo --subraya Chen--. Esta vez es todo lo contrario: la medición fue lo primero. La simulación y la teoría tendrán que ponerse al día".