Mientras la Tierra orbita alrededor del Sol a velocidad supersónica, abre un camino a través del viento solar. Esta rápida corriente de partículas cargadas, o plasma, lanzado desde las capas exteriores del sol bombardearía la atmósfera de la Tierra si no fuera por la protección del campo magnético de la Tierra.

Así como una lancha crea una ola en forma de proa delante de sí misma cuando el casco atraviesa el agua, La Tierra crea un efecto similar, llamado arco de choque, cuando atraviesa el 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 desencadenar una calamidad. Han conocido parte de la respuesta desde hace mucho tiempo:el arco de choque convierte la energía del viento solar en calor almacenado en electrones e iones. Pero ahora, los investigadores tienen nuevas pistas importantes sobre cómo se produce este proceso.

Un estudio dirigido por la Universidad de Maryland describe las primeras observaciones del proceso de calentamiento de electrones en el arco de choque de la Tierra. Los investigadores encontraron que cuando los electrones del viento solar se encuentran con el arco de choque, se aceleran momentáneamente a una velocidad tan alta que la corriente de electrones se vuelve inestable y se descompone. Este proceso de descomposición les quita a los electrones su alta velocidad y convierte la energía en calor.

Los resultados añaden 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 y radiación dañinas. El artículo de investigación fue publicado en la revista Cartas de revisión física el 31 de mayo 2018.

"Si estuvieras en la cima de una montaña, podría ser golpeado por un viento rápido, "explicó Li-Jen Chen, autor principal del estudio y científico investigador asociado en el Departamento de Astronomía de la UMD. "Afortunadamente, cuando el viento solar choca contra el campo magnético de la Tierra, El choque de proa nos protege al frenar este viento y cambiarlo a un agradable, calida brisa. Ahora tenemos una mejor idea de cómo sucede esto ".

Los científicos obtuvieron sus datos de la misión Magnetospheric Multiscale (MMS) de la NASA. La misión MMS consta de cuatro satélites idénticos que llevan instrumentos para estudiar la física del campo magnético de la Tierra mientras interactúa con el viento solar. Los satélites obtuvieron mediciones tridimensionales cada 30 milisegundos, resultando en cientos de mediciones dentro de la capa de choque del arco. Estos de alta frecuencia, Las mediciones precisas 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 fina capa de choque, "dijo Thomas Moore, científico principal del proyecto en el Goddard Space Flight Center de la NASA y coautor del estudio. "Esto es innovador porque ahora tenemos la capacidad de identificar el mecanismo en funcionamiento, en lugar de simplemente observar sus consecuencias ".

Los científicos saben desde hace algún tiempo que el arco de choque es de alguna manera capaz de convertir la energía en electrones en calor sin colisiones directas entre los electrones. Esto significa que la fricción, una forma común de generar calor aquí en la Tierra, no es responsable del calentamiento de los electrones en el arco de choque.

"Las nuevas observaciones de la aceleración de electrones en el arco de choque reescriben la comprensión actual del calentamiento de electrones, "dijo Chen, quien también es un científico investigador en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA. "Por ejemplo, los investigadores no esperaban que el arco de choque pudiera acelerar la corriente de electrones del viento solar a las velocidades que observamos ".

En una fase anterior de la misión MMS, los satélites normalmente orbitaban mucho más cerca de la Tierra, por lo que por lo general pasaban por alto el arco de choque. Sin embargo, un estallido inesperado de viento solar empujó el arco de choque más cerca de la Tierra, permitiendo que los satélites capturen datos raros e informativos.

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

"El estudio del calentamiento de electrones es importante no solo para comprender cómo el arco de choque protege la Tierra, pero potencialmente para satélites, viajes espaciales y tal vez explorar otros planetas en el futuro, "Dijo Chen.

Al dar la primera imagen clara de lo que están haciendo los electrones en el arco de choque, 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 más en los mecanismos por los cuales el arco de choque acelera la corriente de electrones.

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