Científicos de la NASA y tres universidades han presentado nuevos descubrimientos sobre la forma en que el calor y la energía se mueven y se manifiestan en la ionosfera. una región de la atmósfera de la Tierra que reacciona a los cambios tanto del espacio arriba como de la Tierra abajo.

Muy por encima de la superficie de la Tierra, dentro de la tenue atmósfera superior, es un mar de partículas que se han dividido en iones positivos y negativos por la fuerte radiación ultravioleta del sol. Llamada ionosfera, esta es la interfaz de la Tierra con el espacio, el área donde la atmósfera neutra de la Tierra y el clima terrestre dan paso al entorno espacial que domina la mayor parte del resto del universo, un entorno que alberga partículas cargadas y un complejo sistema de campos eléctricos y magnéticos. La ionosfera está formada por ondas de la atmósfera que se encuentra debajo y responde de manera única a las condiciones cambiantes en el espacio. transmitir tal clima espacial en observable, Fenómenos que afectan a la Tierra:la creación de la aurora, interrumpir las señales de comunicación, ya veces causando problemas con los satélites.

Muchos de estos efectos no se comprenden bien, dejando la ionosfera, en la mayor parte, una región de misterio. Científicos del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, la Universidad Católica de América en Washington, CORRIENTE CONTINUA., la Universidad de Colorado Boulder, y la Universidad de California, Berkeley, presentó nuevos resultados sobre la ionosfera en la reunión de otoño de la Unión Geofísica Estadounidense el 14 de diciembre. 2016, en San Francisco.

Un investigador explicó cómo la interacción entre la ionosfera y otra capa de la atmósfera, la termosfera, contrarrestar el calentamiento en la termosfera:calentamiento que conduce a la expansión de la atmósfera superior, que puede causar una descomposición orbital prematura. Otro investigador describió cómo la energía fuera de la ionosfera se acumula hasta que se descarga, al igual que un rayo, ofreciendo una explicación de cómo la energía del clima espacial cruza hacia la ionosfera. Un tercer científico discutió dos próximas misiones de la NASA que proporcionarán observaciones clave de esta región, ayudándonos a comprender mejor cómo reacciona la ionosfera tanto al clima espacial como al clima terrestre.

Los cambios en la ionosfera son impulsados ​​principalmente por la actividad del sol. Aunque pueda parecernos inmutable en el suelo, nuestro sol es, De hecho, un muy dinámico, estrella activa. Observar el sol en longitudes de onda de luz ultravioleta desde el espacio, por encima de nuestra atmósfera que bloquea la luz ultravioleta, revela una actividad constante, incluyendo estallidos de luz, partículas y campos magnéticos.

De vez en cuando, el sol libera enormes nubes de partículas y campos magnéticos que explotan desde el sol a más de un millón de millas por hora. Estos se denominan eyecciones de masa coronal, o CME. Cuando una CME llega a la Tierra, sus campos magnéticos incrustados pueden interactuar con el campo magnético natural de la Tierra, llamado magnetosfera, a veces comprimiéndolo o incluso provocando que partes de él se realineen.

Es esta realineación la que transfiere energía al sistema atmosférico de la Tierra, al desencadenar una reacción en cadena de campos eléctricos y magnéticos cambiantes que pueden enviar las partículas ya atrapadas cerca de la Tierra deslizándose en todas direcciones. Estas partículas pueden crear uno de los eventos meteorológicos espaciales más reconocibles e impresionantes:la aurora, también conocida como la aurora boreal.

Pero la transferencia de energía a la atmósfera no siempre es tan inocua. También puede calentar la atmósfera superior, donde orbitan los satélites terrestres bajos, lo que hace que se expanda como un globo aerostático.

"Esta hinchazón significa que hay más cosas en altitudes más altas de lo que esperaríamos, "dijo Delores Knipp, un científico espacial en la Universidad de Colorado Boulder. "Ese material adicional puede arrastrar a los satélites, interrumpiendo sus órbitas y haciéndolas más difíciles de rastrear ".

Este fenómeno se llama arrastre de satélite. Una nueva investigación muestra que esta comprensión de la respuesta de la atmósfera superior a las tormentas solares, y el arrastre resultante del satélite, puede no siempre ser cierta.

"Nuestro conocimiento básico ha sido que las tormentas geomagnéticas ponen energía en el sistema de la Tierra, que conduce a la hinchazón de la termosfera, que puede arrastrar satélites a órbitas más bajas, "dijo Knipp, investigador principal sobre estos nuevos resultados. "Pero ese no es siempre el caso".

Algunas veces, la energía de las tormentas solares puede desencadenar una reacción química que produce un compuesto llamado óxido nítrico en la atmósfera superior. El óxido nítrico actúa como agente refrigerante en altitudes muy elevadas, promover la pérdida de energía en el espacio, por lo que un aumento significativo de este compuesto puede provocar un fenómeno llamado sobreenfriamiento.

"El sobreenfriamiento hace que la atmósfera libere rápidamente la energía de la tormenta geomagnética mucho más rápido de lo previsto, ", dijo Knipp." Es como si el termostato de la atmósfera superior se atascara en la configuración 'fría' ".

Esa rápida pérdida de energía contrarresta la expansión anterior, causando que la atmósfera superior colapse hacia abajo, a veces a un estado incluso más pequeño de lo que comenzó, dejando satélites viajando a través de regiones de menor densidad de lo previsto.

Un nuevo análisis realizado por Knipp y su equipo clasifica los tipos de tormentas que probablemente conducirán a este sobreenfriamiento y colapso rápido de la atmósfera superior. Al comparar más de una década de mediciones de los satélites del Departamento de Defensa y la Termosfera de la NASA, Ionosfera, Energética y dinámica de la mesosfera, o TEMPORIZADO, misión, los investigadores pudieron detectar patrones de energía que se movían por la atmósfera superior.

"Es más probable que se produzca un sobreenfriamiento cuando las eyecciones muy rápidas y organizadas magnéticamente del sol hacen vibrar el campo magnético de la Tierra, ", dijo Knipp." Las nubes lentas o las nubes mal organizadas simplemente no tienen el mismo efecto ".

Esto significa que, contraintuitivamente, Es probable que las tormentas solares más energéticas proporcionen un efecto neto de enfriamiento y contracción en la atmósfera superior. en lugar de calentarlo y expandirlo como se había entendido previamente.

Compitiendo con este proceso de enfriamiento está el calentamiento causado por la energía de la tormenta solar que se abre camino hacia la atmósfera de la Tierra. Aunque los científicos han sabido que la energía eólica solar finalmente llega a la ionosfera, han entendido poco sobre dónde, cuándo y cómo se lleva a cabo esta transferencia. Nuevas observaciones muestran que el proceso es localizado e impulsivo, y depende en parte del estado de la propia ionosfera.

Tradicionalmente, Los científicos han pensado que la forma en que la energía se mueve a través de la magnetosfera y la atmósfera de la Tierra está determinada por las características de las partículas entrantes y los campos magnéticos del viento solar, por ejemplo, a lo largo de, Un flujo constante de partículas solares produciría efectos diferentes que un flujo más rápido y flujo menos consistente. Sin embargo, Los nuevos datos muestran que la forma en que se mueve la energía está mucho más estrechamente relacionada con los mecanismos por los que la magnetosfera y la ionosfera están vinculadas.

"El proceso de transferencia de energía resulta ser muy similar a la forma en que se forman los rayos durante una tormenta, "dijo Bob Robinson, un científico espacial en NASA Goddard y la Universidad Católica de América.

Durante una tormenta, una acumulación de diferencia de potencial eléctrico, llamada voltaje, entre una nube y el suelo conduce a un repentino, descarga violenta de esa energía eléctrica en forma de rayo. Esta descarga solo puede ocurrir si hay una vía conductora de electricidad entre la nube y el suelo, llamado líder.

Similar, el viento solar que golpea la magnetosfera puede generar una diferencia de voltaje entre diferentes regiones de la ionosfera y la magnetosfera. Pueden formarse corrientes eléctricas entre estas regiones, creando la vía conductora necesaria para que la energía eléctrica acumulada se descargue en la ionosfera como una especie de rayo.

"Los rayos terrestres tardan varios milisegundos en ocurrir, mientras que este 'relámpago' de magnetosfera-ionosfera dura varias horas, y la cantidad de energía transferida es cientos o miles de veces mayor, "dijo Robinson, investigador principal sobre estos nuevos resultados. Estos resultados se basan en datos de la constelación global de comunicaciones por satélite Iridium.

Debido a que las tormentas solares aumentan las corrientes eléctricas que permiten que se produzca este relámpago de magnetosfera-ionosfera, este tipo de transferencia de energía es mucho más probable cuando el campo magnético de la Tierra es empujado por un evento solar.

La enorme transferencia de energía de este rayo magnetosfera-ionosfera está asociada con el calentamiento de la ionosfera y la atmósfera superior, así como aumento de la aurora.

Viendo hacia adelante

Aunque los científicos están progresando en la comprensión de los procesos clave que impulsan los cambios en la ionosfera y, Sucesivamente, en la tierra, aún queda mucho por entender. En 2017, La NASA está lanzando dos misiones para investigar esta región dinámica:el Explorador de conexión ionosférica, o ICONO, y observaciones globales de la extremidad y el disco, o ORO.

"La ionosfera no solo reacciona a la entrada de energía de las tormentas solares, "dijo Scott England, un científico espacial de la Universidad de California, Berkeley, que trabaja en las misiones ICON y GOLD. "Clima terrestre, como huracanes y patrones de viento, puede dar forma a la atmósfera y la ionosfera, cambiando la forma en que reaccionan al clima espacial ".

ICON medirá simultáneamente las características de las partículas cargadas en la ionosfera y las partículas neutrales en la atmósfera, incluidas las formadas por el clima terrestre, para comprender cómo interactúan. GOLD tomará muchas de las mismas medidas, pero desde la órbita geoestacionaria, que da una visión global de cómo cambia la ionosfera.

Tanto ICON como GOLD aprovecharán un fenómeno llamado airglow, la luz emitida por el gas que es excitado o ionizado por la radiación solar, para estudiar la ionosfera. Midiendo la luz del resplandor del aire, los científicos pueden rastrear la composición cambiante, densidad, e incluso temperatura de partículas en la ionosfera y atmósfera neutra.

La posición de ICON a 350 millas sobre la Tierra le permitirá estudiar la atmósfera de perfil, dando a los científicos una mirada sin precedentes al estado de la ionosfera en un rango de altitudes. Mientras tanto, Posición 22 de GOLD, 000 millas sobre la Tierra le darán la oportunidad de rastrear los cambios en la ionosfera a medida que se mueven por el mundo, similar a cómo un satélite meteorológico rastrea una tormenta.

"Usaremos estas dos misiones juntas para comprender cómo los sistemas meteorológicos dinámicos se reflejan en la atmósfera superior, y cómo estos cambios impactan en la ionosfera, "dijo Inglaterra.