Cluster mide la turbulencia en el entorno magnético de la Tierra
Por primera vez, un equipo de científicos ha calculado cuánta energía se transfiere de escalas mayores a menores dentro de la envoltura magnética, la región que separa el viento solar de la burbuja magnética que protege nuestro planeta. A partir de datos recogidos durante años por las misiones Cluster, de la ESA, y THEMIS, de la NASA, el estudio ha mostrado el papel clave de la turbulencia, que hace que el proceso resulte cien veces más eficiente que en el viento solar.
Los planetas del Sistema Solar, incluida la Tierra, se encuentran bañados por el viento solar, un caudal supersónico de partículas altamente energéticas que el Sol libera de forma incesante. Nuestro planeta y algunos otros se desmarcan frente a este flujo continuo de partículas al contar con su propio campo magnético, que los protege de la energía arrolladora del viento solar.
Precisamente la interacción entre el campo magnético de la Tierra y el viento solar es lo que crea la estructura de la magnetosfera, la burbuja protectora que blinda a nuestro planeta frente a la inmensa mayoría de las partículas de viento solar.
Hasta la fecha, los científicos han conseguido comprender bastante bien los procesos físicos que se producen en el plasma de viento solar y en la magnetosfera. En cambio, aún se desconocen aspectos importantes sobre la relación entre estos dos entornos y sobre la turbulenta región que los separa, conocida como la envoltura magnética, y donde se sospecha que tiene lugar la mayor parte de la acción y la más interesante.
“Para saber cómo se transfiere la energía del viento solar a la magnetosfera, tenemos que entender lo que sucede en la envoltura magnética, el ‘área gris’ situada entre ellos”, señala Lina Zafer Hadid, del Instituto Sueco de Física Espacial de Uppsala (Suecia).
Lina es la autora principal de un nuevo estudio que, por primera vez, cuantifica el papel de la turbulencia en la envoltura magnética. Estos resultados se publicaron ayer en Physical Review Letters.
“Sabemos que la turbulencia contribuye a que, en el viento solar, la energía se disipe de grandes escalas, de cientos de miles de kilómetros, a escalas menores, de un kilómetro, donde las partículas de plasma se calientan y aceleran a energías superiores”, explica Fouad Sahraoui, del Laboratorio de Física del Plasma francés y coautor del estudio.
“Sospechábamos que en la envoltura magnética debía de producirse un mecanismo similar, pero no habíamos podido comprobarlo hasta ahora”.
El plasma de la envoltura magnética es más turbulento, contiene una mayor cantidad de fluctuaciones de densidad y puede comprimirse mucho más que el viento solar. Como tal, resulta sustancialmente más complejo y hasta hace pocos años no se había logrado desarrollar el marco teórico para estudiar los procesos físicos que tienen lugar en un entorno así.
Lina, Fouad y sus colaboradores examinaron un enorme volumen de datos recopilados entre 2007 y 2011 por las cuatro naves de Cluster y dos de las cinco naves de THEMIS, que vuelan en formación a través del entorno magnético de la Tierra.
Al aplicar las herramientas teóricas recientemente desarrolladas a su muestra de datos, les esperaba una gran sorpresa:
“Descubrimos que las fluctuaciones magnéticas y de densidad causadas por la turbulencia en la envoltura magnética incrementan la velocidad a la que la energía pasa de escalas mayores a menores al menos cien veces con respecto a lo observado en el viento solar”, explica Lina.
El nuevo estudio muestra que en esta región del entorno magnético de la Tierra se transfieren unos 10-13 J de energía por metro cúbico cada segundo.
“Esperábamos que la turbulencia compresible tuviera un impacto en la transferencia de energía en el plasma de la envoltura magnética, pero no que fuera tan importante”, añade.
Además, los científicos fueron capaces de derivar una correlación empírica que asocia la velocidad a la que se disipa la energía en la envoltura magnética con la cuarta potencia de otra cantidad utilizada en el movimiento de los fluidos: el número de Mach. Esta medida, que toma el nombre del físico austriaco Ernst Mach, cuantifica la velocidad de las fluctuaciones en un flujo con respecto a la velocidad del sonido en ese fluido, indicando si se trata de un flujo subsónico o supersónico.
Mientras que la velocidad de transferencia de energía es difícil de determinar a menos que se utilicen sondas espaciales con mediciones in situ, como hacen las naves de Cluster al muestrear el plasma que rodea la Tierra, el número de Mach se puede calcular de manera más sencilla, utilizando observaciones remotas de una variedad de plasma astrofísico más allá de nuestro planeta.
“Si esta relación empírica resulta ser universal, será muy útil para explorar el plasma cósmico que no puede muestrearse directamente con astronaves, como el medio interestelar que se extiende por nuestra Vía Láctea y otras galaxias”, afirma Fouad.
Los científicos están deseando comparar sus resultados con las mediciones del plasma que rodea otros planetas del Sistema Solar con un campo magnético intrínseco, por ejemplo con la misión Juno de la NASA, que se encuentra en Júpiter, y el futuro Explorador de las Lunas de Hielo de Júpiter de la ESA, así como con la misión conjunta de la ESA y la JAXA a Mercurio, BepiColombo, cuyo lanzamiento está previsto para este mismo año.
“Es emocionante pensar que un estudio basado en varios años de datos de Cluster haya dado con la clave para resolver una cuestión de la física del plasma importante y pendiente desde hace mucho tiempo”, reconoce Philippe Escoubet, científico del proyecto Cluster de la ESA.
Nota para los editores
El artículo “Compressible magnetohydrodynamic turbulence in the Earth's magnetosheath: estimation of the energy cascade rate using in situ spacecraft data”, de L. Z. Hadid et al., está publicado en Physical Review Letters. doi: 10.1103/PhysRevLett.120.055102.
Cluster es una constelación formada por cuatro naves que vuelan en formación alrededor de la Tierra. Se trata de la primera misión espacial capaz de estudiar tridimensionalmente los procesos físicos naturales que se dan en el interior y los alrededores de la magnetosfera terrestre. Lanzada en 2000, está compuesta por cuatro naves idénticas que giran sobre nuestro planeta en configuración piramidal a lo largo de una órbita polar nominal de 4 × 19.6 radios terrestres (1 radio terrestre = 6.380 km). La carga útil de Cluster consiste en instrumentación de plasma avanzada para medir campos eléctricos y magnéticos a lo largo de amplios rangos de frecuencia, así como parámetros físicos clave que caracterizan electrones e iones con energía de casi 0 eV a unos pocos MeV. Las operaciones científicas se coordinan a través del Centro Conjunto de Operaciones Científicas (JSOC) del Laboratorio Rutherford Appleton (Reino Unido) y se implementan en el Centro Europeo de Operaciones Espaciales (ESOC) de la ESA en Darmstadt (Alemania).
Aquí puede consultarse más información sobre la misión Cluster.
La misión THEMIS (Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms) de la NASA está formada por cinco sondas idénticas que estudian las violentas y coloridas erupciones de auroras. Cuando la misión principal de THEMIS concluyó en 2010, dos de sus cinco naves se traspasaron a la misión ARTEMIS y se trasladaron a órbitas lunares para estudiar las interacciones de la Luna con el Sol.
Aquí puede consultarse más información sobre las misiones THEMIS y ARTEMIS.
Para más información:
Lina Zafer Hadid
Swedish Institute of Space Physics
Uppsala, Suecia
Teléfono: +46 18 471 5934
Correo electrónico: lina.hadidirfu.se
Fouad Sahraoui
LPP, CNRS, Ecole Polytechnique, Université Paris-Sud, Observatoire de Paris, Université Paris-Saclay, Sorbonne Université, PSL Research University
Francia
Teléfono: +33 1 6933 5922
Correo electrónico: fouad.sahraouilpp.polytechnique.fr
C. Philippe Escoubet
Cluster Project Scientist
Directorate of Science
European Space Agency
Teléfono: +31 71 565 3454
Correo electrónico: Philippe.Escoubetesa.int
