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sábado, 9 de julio de 2016

¡MUCHO CUIDADO! Se está fugando la atmósfera de la Tierra. ENTÉRATE.

 
La atmósfera de la Tierra se está escapando. Cada día, alrededor de 90 toneladas de material escapan de la atmósfera superior de nuestro planeta y las corrientes hacia el espacio. Aunque las misiones tales como la flota Cluster de la ESA durante mucho tiempo han estado investigando esta fuga, todavía hay muchas preguntas abiertas.  ¿Cómo y por qué está la Tierra perdiendo su atmósfera - y cómo es esto relevante en nuestra búsqueda de vida en otros lugares del Universo?


 
 Dada la extensión de nuestra atmósfera, la pequeña fuga asciende a 90 toneladas por día .  La atmósfera de la Tierra pesa alrededor de cinco mil billones (5 x 1.015) toneladas, por lo que no estamos en peligro de quedarnos sin atmósfera a corto plazo. Sin embargo, el entendimiento de la atmósfera de la Tierra, y cómo se escapa al espacio, es clave para comprender las atmósferas de otros planetas, y podría ser crucial en nuestra búsqueda de planetas habitables y vida extraterrestre.

Hemos estado explorando el ambiente magnético de la Tierra durante años  utilizando satélites como la misión Cluster de la ESA, una flota de cuatro naves espaciales lanzadas en 2000. Cluster ha estado continuamente las interacciones magnéticas entre el Sol y la Tierra durante más de una década y media; esta longevidad, combinada con sus capacidades de múltiples naves espaciales y órbita única, han hecho que sea un actor clave en la comprensión tanto de la atmósfera que se escapa de la Tierra y cómo nuestro planeta interactúa con el sistema solar circundante.

El campo magnético de la Tierra es complejo; que se extiende desde el interior de nuestro planeta hacia el espacio, ejerciendo su influencia sobre una región del espacio llamada la magnetosfera .

 La magnetosfera - y su región interior (la plasmasfera), una parte en forma de rosquilla, sentada encima de nuestra atmósfera, que co-gira con la Tierra y se extiende a una distancia promedio de 20 000 kilometros - se inunda con las partículas y los iones cargados que se encuentran atrapados, rebotando a lo largo de las líneas de campo.

En el borde exterior de la magnestofera hacia el Sol  se encuentra con el viento solar , un flujo continuo de partículas cargadas - en su mayoría protones y electrones - que fluye desde el Sol. Aquí, nuestro campo magnético actúa como un escudo, desvia y redirige el viento incidente como una roca obstruiría una corriente de agua. Esta analogía puede ser continuada por el lado de la Tierra más lejos del Sol - partículas dentro del viento solar son esculpidos alrededor de nuestro planeta y poco a poco regresan juntos, formando un tubo alargado (llamado cola magnética), que contiene hojas de plasma y líneas de campo  interactuando.
 
 Impresión artística de la magnetosfera de la Tierra. Crédito: ESA / Medialab ATG
 La debilidad de nuestro escudo magnético


Sin embargo, nuestro escudo magnetosfera tiene sus debilidades; en los polos de la Tierra las líneas de campo están abiertas, como las de un imán de barra estándar (estos lugares se denominan las cúspides polares). En este caso, las partículas del viento solar pueden dirigirse hacia adentro, hacia la Tierra, llenando la magnetosfera con partículas energéticas.

Del mismo modo que las partículas pueden dirigirse hacia el interior por estas líneas abiertas polares, las partículas también pueden dirigirse hacia el exterior. Los iones de la Tierra la atmósfera superior - la ionosfera, que se extiende hasta aproximadamente 1000 km de la Tierra - también inundan  esta región del espacio.  Aunque las misiones tales como Cluster han descubierto mucho, los procesos implicados siguen sin estar claros.

"La cuestión del transporte de plasma y la pérdida atmosférica es relevante tanto para los planetas y las estrellas, y es un tema muy importante y fascinante. La comprensión de cómo la materia atmosférica escapa es crucial para entender cómo la vida puede desarrollarse en un planeta", dijo Arnaud Masson, de la ESA Adjunto científico del proyecto para la misión Cluster. "La interacción entre el material entrante y saliente en la magnetosfera de la Tierra es un tema candente en este momento;?? ¿De dónde viene exactamente  esta cosa? ¿Cómo  entró en nuestra parcela especial?"

Inicialmente, los científicos creían que el ambiente magnético de la Tierra era llenado con partículas puramente de origen solar. embargo, ya en la década de 1990, se predijo que la atmósfera de la Tierra se filtre hacia la plasmasfera - algo que ya ha resultado ser cierto.

Las observaciones han demostrado esporádicas,  poderosas columnas, de plasma, plumas dobladas, que crecen dentro de la plasmasfera, que viajan hacia el exterior hasta el borde de la magnetosfera e interactuando con el plasma del viento solar que entra en la magnetosfera.

 Estudios más recientes han confirmado inequívocamente otra fuente - la atmósfera de la Tierra está en constante fuga! Junto a las citadas columnas, una constante, el flujo continuo de material (que comprende iones de oxígeno, hidrógeno y helio) deja plasmasfera de nuestro planeta de las regiones polares, la reposición del plasma dentro de la magnetosfera. Cluster encontró pruebas de este viento, y se ha cuantificado su fuerza para ambos iones totales (reportado en un artículo publicado en 2013) y, en particular, para el hidrógeno (reportado en 2009).
 
 Impresión artística de la plasmasfera en la magnetosfera de la Tierra. Crédito: ESA / Medialab ATG

 En general, aproximadamente 1 kg de material se está escapando de nuestra atmósfera cada segundo, que asciende a casi 90 toneladas por día. Señalar solamente a los iones (iones ligeros de hidrógeno  que requieren menos energía para escapar y por lo tanto poseen una energía más baja en la magnetosfera), los totales medios de escape de miles de toneladas por año.

Los iones fríos son importantes; muchos satélites Cluster incluido - no pueden detectarlas debido a sus bajas energías, sino que forman una parte significativa de la pérdida de materia neta de la Tierra, y pueden desempeñar un papel clave en la configuración de nuestro entorno magnético.
 
Las tormentas y los períodos de mayor actividad solar solares parecen acelerar la pérdida atmosférica de la Tierra de manera significativa, en más de un factor de tres.  Sin embargo, siguen siendo cuestiones clave: ¿Cómo se escapan los iones, y de dónde proceden?  ¿Qué procesos están en juego, y  que es lo dominante?

¿A dónde van los iones?  ¿Y cómo?

Uno de los procesos clave de escape se piensa que es la aceleración centrífuga, lo que acelera los iones en los polos de la Tierra a medida que cruzan las líneas de campo magnético que cambia de forma allí. Estos iones son desviados hacia diferentes trayectorias a la deriva,  ganan energía, y terminan alejándose de la Tierra en la cola magnética, donde interactúan con plasma y regresan a la Tierra a velocidades mucho más altas de lo que fueron con - una especie de efecto boomerang.

Tales partículas de alta energía pueden suponer una amenaza para la tecnología basada en el espacio, por lo que la comprensión de ellas es importante. Cluster ha explorado este proceso varias veces durante la última década y media - encontrando que afecte a los iones más pesados, tales como el oxígeno más que los más ligeros, y también la detección de rayos fuerte, de alta velocidad de los iones disparados hacia atrás a la Tierra desde la cola magnética cerca de 100 veces en el transcurso de tres años.

Más recientemente, los científicos han explorado el proceso de reconexión magnética, uno de los procesos físicos más eficientes mediante el cual el viento solar entra en la magnetosfera de la Tierra y acelera el plasma.  En este proceso, el plasma interactúa e intercambia energía con líneas de campo magnético; diferentes líneas se reconfiguran a sí mismas, rompiendo, cambiando su alrededor, y el establecimiento de nuevas conexiones por fusión con otras líneas, liberando enormes cantidades de energía en el proceso.
 
 La nave espacial de cuatro clústeres de cruzar la cúspide norte de la magnetosfera de la Tierra. Crédito: ESA / AOES Medialab

 Aquí, se cree que los iones fríos son importantes. Sabemos que los iones fríos afectan el proceso de reconexión magnética, por ejemplo disminuyendo la velocidad de reconexión en el límite donde el viento solar se encuentra con la magnetosfera (la magnetopausa), pero todavía no estamos seguros de los mecanismos en juego.

"En esencia, tenemos que encontrar la manera de como termina el plasma frío en la magnetopausa," dijo Philippe Escoubet, Proyecto Científico de la ESA para la misión Cluster.  "Hay unos pocos aspectos diferentes a esto, necesitamos conocer los procesos que intervienen en el transporte de allí, cómo estos procesos dependen de la dinámica del viento solar y las condiciones de la magnetosfera, y donde el plasma está viniendo en el primer lugar - lo hace se originó en la ionosfera, la plasmasfera, o en otro lugar? "

 Recientemente, los científicos modelan y simulan el ambiente magnético de la Tierra con un enfoque en estructuras conocidas como plasmoides y cuerdas de flujo - cilindros, tubos y bucles de plasma que se enredan con las líneas de campo magnético .  Estas surgen cuando el proceso de reconexión magnética se produce en la cola magnética y expulsa plasmoides tanto hacia el exterior y hacia la cola de la Tierra.

Los iones fríos pueden desempeñar un papel importante en la decisión de la dirección del plasmoide expulsado. Estas simulaciones recientes mostraron un vínculo entre plasmoides en dirección a la Tierra y los iones de oxígeno pesados ​​se escapan hacia fuera de la ionosfera - en otras palabras, los iones de oxígeno pueden reducir y extinguir las tarifas de reconexión en ciertos puntos dentro de la cola magnética que producen trayectorias hacia la cola, por lo que es más favorable en otros sitios que en lugar de ellos envíar hacia la Tierra. Estos resultados concuerdan con observaciones existentes declúster .

Otro estudio reciente de Cluster comparó los dos principales mecanismos de escape atmosférico  que la Tierra experimenta - penachos esporádicos que emanan a través de la plasmasfera, y la fuga constante de la atmósfera de la Tierra desde la ionosfera - para ver cómo podrían contribuir a la población de iones fríos que residían en la magnetopausa diurna ( el límite de viento solar-magnetosfera más cercana al Sol).

Ambos procesos de evacuación parecen depender de diferentes maneras en el campo magnético interplanetario (FMI), el campo magnético solar que se lleva a cabo en el Sistema Solar por el viento solar. Este campo se mueve a través del espacio en un patrón en espiral debido a la rotación del Sol, al igual que el agua proveniente de un aspersor de riego. Dependiendo de cómo se alinea el FMI, se puede cancelar efectivamente a cabo parte del campo magnético de la Tierra en la magnetopausa, la vinculación y la fusión con nuestro campo y permitiendo que el viento solar para transmitir.

Plumas parecen ocurrir cuando el FMI está orientado hacia el sur (anti-paralelo al campo magnético de la Tierra, actuando de este modo como se mencionó anteriormente).  Por el contrario, con fugas salidas de la ionosfera se producen durante FMI orientado hacia el norte. Ambos procesos se producen con más fuerza cuando el viento solar es o bien más denso o viajar más rápido (ejerciendo así una presión más alta dinámica).
 
 La reconexión magnética en la cola de la magnetosfera de la Tierra. Crédito: ESA / Medialab ATG

"Aunque todavía hay mucho que aprender, hemos sido capaces de hacer grandes progresos aquí", dijo Masson. " "Estos estudios recientes han logrado vincular con éxito a múltiples fenómenos - es decir, la pérdida de la ionosfera, columnas de humo de la plasmasfera, y la reconexión magnética -. Para pintar un cuadro mejor de entorno magnético de la Tierra Esta investigación requiere varios años de observación en curso, algo que sólo podía obtener con clúster ".

Aplicando lo aprendido a otros planetas

Aprender más acerca de nuestra propia atmósfera puede decirnos mucho acerca de nuestros vecinos planetarios - potencialmente podríamos aplicar este tipo de investigación a cualquier objeto astrofísico tanto con una atmósfera y un campo magnético. Sabemos que las atmósferas planetarias juegan un papel esencial en la prestación de un planeta habitable o sin vida, pero existen muchas preguntas abiertas.

Tenga en cuenta la diversidad observada en los planetas y lunas de nuestro sistema solar, por ejemplo.  En nuestra pequeña porción del universo que vemos mundos extremas y opuestas: la atmósfera de dióxido de carbono de smog como de Venus, la atmósfera tan agotada tenue de actual de Marte, la atmósfera rica en nitrógeno de la luna de Saturno Titán, la esencia sin aire de Júpiter luna Calisto, la atmósfera que lleva oxígeno de la Tierra.
 
¿Cómo sabemos si estos planetas podrían albergar vida, o sea que una vez pudo haber hecho? Marte, por ejemplo, se cree que tiene una vez que tenía una atmósfera gruesa, densa que ha sido despojado de distancia considerablemente con el tiempo. A pesar de que el planeta rojo es poco probable que sea habitable hoy en día, que puede muy bien haber sido así en el pasado.

"Una mayor comprensión de nuestra propia atmósfera que nos ayudará cuando se trata de otros planetas por todo el Universo", dijo Escoubet. "Necesitamos saber más. ¿Por qué la Tierra tiene una atmósfera que puede soportar la vida, mientras que otros planetas no lo hacen?"

Cluster es una misión única; Consta de cuatro naves espaciales - un formato que la NASA utilizó recientemente para su misión Magnetosférica multiescala (MMS), puesto en marcha en 2015 - que permiten el estudio continuo de la Tierra el campo magnético y el viento solar desde múltiples ubicaciones y orientaciones.  Cluster ha estado operando desde 2000, y en ese tiempo ha recopilado una gran cantidad de información acerca de nuestro entorno magnético a través de varios períodos de actividad solar y terrestre.

"Además, la órbita de Cluster es verdaderamente único entre todas las misiones actuales, la flota está en una órbita polar, lo que significa que se pueden explorar las regiones de nuestro planeta dinámicos polares - específicamente las cúspides y los casquetes polares - de cerca y en detalle sin precedentes", agregó Escoubet.

 "En general, las misiones espaciales a largo plazo, como el Cluster nos ayudan a comprender mucho más acerca de nuestro planeta, su atmósfera , y la pérdida atmosférica en general - que a su vez nos ayudará a comprender el sistema solar en el que vivimos."

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