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    El hierro está en todas partes en las cercanías de la Tierra, sugieren dos décadas de datos de Cluster

    Una ilustración del Sol (a la izquierda) y el viento solar, un flujo constante de partículas cargadas:electrones, que tienen carga negativa, e iones con carga positiva, que impregna el Sistema Solar e impacta en el entorno magnético de la Tierra (a la derecha). Crédito:ESA; Sol:ESA / NASA / SOHO / LASCO / EIT

    Utilizando más de 18 años de datos de la misión Cluster de la ESA, los científicos han cartografiado los metales pesados ​​en el espacio que rodea la Tierra, encontrar una distribución y prevalencia inesperadas de hierro y arrojar luz sobre la composición de nuestro entorno cósmico.

    A menudo se presume que el espacio está desprovisto de materia, pero técnicamente no está realmente vacío:la distribución de la materia es muy, muy escaso. En las cercanías de la Tierra, el espacio que los científicos llaman 'geoespacio' en realidad está lleno de partículas cargadas:una mezcla de electrones, que tienen carga negativa, e iones cargados positivamente. Estos iones son actores clave en los procesos electrodinámicos que vemos en el geoespacio, y contribuir a lo turbulento, naturaleza cambiante de esta parte del cosmos.

    Una detección sorprendente

    Un nuevo estudio utiliza más de 18 años de datos de la misión Cluster de la ESA, lanzada en agosto de 2000 y acercándose a su vigésimo aniversario en el espacio, para explorar la prevalencia de un ion importante que se cree relativamente raro cerca de la Tierra:el hierro. Al profundizar en los datos del clúster recopilados de 2001 a 2018, los investigadores detectaron una distribución inesperada de hierro en todo el geoespacio.

    "Aunque las cantidades son pequeñas, encontramos hierro en todas partes:en toda la región del geoespacio cubierto por Cluster, y en el viento solar cercano a la Tierra, el flujo continuo de partículas cargadas del sol, "dice el autor principal Stein Haaland del Instituto Max Planck para la Investigación del Sistema Solar en Göttingen, Alemania, y el Centro Birkeland de Ciencias Espaciales de la Universidad de Bergen, Noruega.

    "Detectamos hierro en aproximadamente el 10% de las observaciones que, dada la relativa rareza del ion, es sorprendente. No esperábamos encontrarlo tan a menudo ".

    Sin embargo, no es la presencia del hierro en sí lo que sorprende, sino más bien sus propiedades. El satélite JAXA / NASA Geotail, que ha pasado más de 25 años observando el entorno magnético de la Tierra, había detectado hierro ionizado individualmente en el geoespacio en 2017. Estos son átomos de hierro que han sido despojados solo de los electrones más externos. Los nuevos resultados no solo confirman este hallazgo, pero proporcionan una nueva parte esencial de la imagen.

    "Las observaciones de Cluster se centran en un rango de energía mucho más alto que Geotail, y darnos una visión más completa del espacio que nos rodea, detectar no solo hierro ionizado individualmente, sino también hierro ionizado multiplicado:estos son iones en estados energéticos superiores a los que se les ha despojado de más de un electrón, "agrega Stein." El hierro en el viento solar tiende a verse en estados de mayor carga, así que necesitamos esto más amplio rango de energía más alto para comprender el viento solar en particular y su impacto en el entorno magnético de la Tierra ".

    Distancia entre la nave espacial Cluster durante la misión

    La fuente de hierro en el geoespacio

    Los iones pueden entrar en el geoespacio desde arriba o desde abajo. Algunos viajan desde la atmósfera de la Tierra, mientras que otros fluyen desde el viento solar. La fuente de metales pesados, como el hierro, todavía se debate:¿de dónde provienen estos iones, y ¿cómo contribuyen a los fenómenos que vemos a nuestro alrededor?

    "Las observaciones de Geotail se centraron en el hierro que se eleva desde la atmósfera de la Tierra, y a energías bastante bajas, "explica Stein." Descubrimos que hay mucho más hierro proveniente del sol, ya energías mucho más elevadas. También encontramos hierro en las regiones por encima de los casquetes polares de la Tierra, una ubicación que Geotail no cubrió ".

    Sobre la base de resultados anteriores, el nuevo estudio explora la fuente potencial del hierro ionizado con mayor profundidad. Este es un factor clave para comprender la dinámica y las propiedades del geoespacio, nuestra magnetosfera, el viento solar, y cómo estas estructuras se encuentran e interactúan.

    Investigaciones anteriores han propuesto que las detecciones de iones de hierro en latitudes más altas pueden deberse a una variedad de factores, incluidos los meteoritos que entran en la atmósfera de la Tierra y se rompen, partículas elevadas de ciertas capas de la atmósfera, o incluso partículas expulsadas de la Luna. Sin embargo, los resultados del nuevo Cluster no muestran evidencia convincente de ninguno de estos procesos; en lugar de, sugieren que el hierro proviene directamente del sol.

    "Los datos sobre la distribución y presencia del hierro variaron a lo largo del tiempo de una manera que coincidió con las perturbaciones en el campo magnético de la Tierra, y fluctuaciones a largo plazo en la actividad solar, "dice Stein." Esto sugiere que la mayor parte del hierro en el geoespacio se originó a partir del viento solar que pasó a través de la magnetosfera, en lugar de viajar hacia arriba desde la atmósfera de nuestro planeta ".

    Oculto en los datos

    Para mapear la composición del geoespacio, Stein y sus colegas utilizaron los datos de Cluster de forma inesperada. Explotaron mediciones que no se recopilaron con fines científicos, pero para el diagnóstico operativo de uno de los instrumentos de la nave espacial:RAPID (Investigación con detectores de imágenes de partículas adaptables).

    El instrumento identifica y caracteriza los diversos iones que detecta midiendo sus energías y el tiempo de viaje dentro del detector. Para la actividad científica ordinaria, RAPID calcula estas propiedades solo para el hidrógeno, átomos de helio y oxígeno; sin embargo, para fines de diagnóstico, el instrumento proporciona propiedades adicionales para un número limitado de partículas, extendiendo el rango probado a iones más pesados.

    Estas medidas sirven para calibrar el instrumento y asegurar que esté funcionando según lo previsto. Sin embargo, los científicos utilizaron estas observaciones de diagnóstico, un total de 122 000 horas, para determinar la composición de los iones entrantes e identificar las partículas de hierro.

    "La capacidad de RAPID para medir la composición iónica fue esencial. Necesitamos mediciones de la composición para ayudarnos a comprender mejor de dónde provienen los diversos elementos que se encuentran en la Tierra o cerca de ella. y caracterizar nuestro entorno cósmico, "dice Stein.

    Minería de los archivos

    Comprender el espacio que rodea la Tierra es uno de los objetivos centrales de Cluster. El cuarteto de naves espaciales, volando en formación alrededor de la Tierra, ha pasado años entrando y saliendo del campo magnético de nuestro planeta, investigando cómo interactúan el sol y la Tierra y caracterizando los fenómenos causados ​​por estas interacciones.

    La longevidad de la misión y su amplia órbita le han permitido recopilar casi dos décadas de datos que cubren todas las regiones del espacio cercanas a la Tierra. y gran parte del viento solar.

    "Necesitábamos este largo período de tiempo para nuestra investigación, y esto solo fue posible gracias al Cluster Science Archive, que proporciona datos de la mejor calidad para que los utilice la comunidad científica, "añade el coautor Patrick Daly, también del Instituto Max Planck para la Investigación del Sistema Solar e investigador principal del instrumento RAPID.

    "Se requirió un esfuerzo considerable para configurar este archivo, y mantener continuamente sus muy altos estándares de calibración y confiabilidad. El archivo es un crédito para los numerosos ingenieros dedicados, operadores de naves espaciales y equipos de archivo de datos que se han asegurado de que Cluster permanezca operativo y aún proporcione nuevos excitante, información accesible sobre el espacio cercano a la Tierra ".

    Notablemente, los conjuntos de datos del Cluster Science Archive incluyen datos de diagnóstico detallados, algo que no suele incluirse en todos los archivos de la misión.

    "Esto destaca la importancia de los archivos científicos en general y de los datos de diagnóstico en particular, mostrando cómo se puede obtener información realmente valiosa de estos conjuntos de datos versátiles para producir resultados científicos de vanguardia, "dice Philippe Escoubet, Científico del Proyecto Clúster de la ESA.

    "También demuestra muy bien cómo la investigación evoluciona y avanza continuamente. La detección de hierro habría sido un resultado totalmente inesperado cuando se lanzó por primera vez Cluster". pero la misión continúa proporcionando un tesoro de datos sobre el medio ambiente de la Tierra ".


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