Descubierta razón de aceleración de partículas en la magnetosfera terrestre      

 

 

Descubierta la razón por la cual se aceleran las partículas en las cúspides de la magnetosfera de la Tierra. 

05 de junio de 2012. 

Traducción y comentarios:

Jesús A. Guerrero Ordáz.

Asociación Larense de Astronomía, ALDA.

 

Mientras volaban a través de una de las cúspides en el campo magnético de la Tierra, las cuatro naves espaciales de la misión Cluster (Cúmulo) de la Agencia Espacial Europea, ESA, han muestreado la población de partículas altamente energéticas que a menudo llenan éstas "cavidades". Un estudio de los datos muestra que las partículas se aceleran dentro de estas cúspides cuando cruzan regiones caracterizadas por potenciales eléctricos diferentes - una configuración que es resultado de los eventos de reconexión magnética. Éste descubrimiento es una contribución importante al duradero debate concerniente a cómo y donde se aceleran estas partículas.

 

El magnetosfera de la Tierra se infla a partir de la interacción entre el viento solar - una corriente de partículas eléctricamente cargadas liberadas por el Sol - y el campo magnético interior de nuestro planeta. De hecho, la magnetosfera actúa como un escudo que impide a la mayoría de las partículas del viento solar infiltrar la atmósfera de Tierra. Los únicos sitios dónde este efecto no es totalmente eficaz son en las cúspides polares, dos regiones sobre los polos magnéticos del planeta en dónde el campo magnético es extremadamente débil. A través de las cúspides, las partículas del viento solar pueden acceder a la capa superior de la atmósfera de Tierra – la ionosfera - y así impactar ciertas actividades humanas, como las redes de la telecomunicación.

Impresión artística que muestra a las cuatro sondas espaciales Cluster, cruzando la cúspide norte de la magnetosfera de la Tierra.

Crédito: ESA/AEOS Medialab.

 

Cuando el viento solar entra a la atmósfera de Tierra, las cúspides son un elemento importante en el ambiente magnético de nuestro planeta y han sido el blanco de investigación durante décadas. Las medidas realizadas in-situ han mostrado que se pueblan con partículas muy energéticas, incluyendo electrones con energías sobre los 40 keV (kilo electrón voltio) y protones e iones de oxígeno con energías sobre los 28 keV.

 

Estas observaciones han activado un intenso debate con respecto a la naturaleza de tales partículas: ¿Exactamente dónde y cómo están siendo aceleradas a tales energías? Se han sugerido varios sitios de aceleración en los trabajos presentados: la magnetosfera, el arco de choque - una onda de choque formada por el impacto del viento solar con la magnetosfera - y las propias cúspides; pero el asunto había permanecido sin respuesta por mucho tiempo. Ahora, una respuesta sólida a estas preguntas se ha planteado por este estudio, basado en los datos de la misión Cluster de la ESA.

 

"Nuestros análisis de los datos aportados por la misión Cluster y su posterior comparación con simulaciones realizadas por computadora, proporcionan la primera evidencia robusta en favor de un mecanismo de aceleración local: las partículas están siendo energizadas dentro de las cúspides", explica Katariina Nykyri, de la Universidad Aeronáutica Embry-Riddle (EE.UU.). Nykyri lidera un estudio basado en los datos recogidos por las cuatro naves espaciales "Cluster" cuando ellas volaron a través de las cúspides de la magnetosfera, el pasado 14 de febrero de 2003. Los resultados del estudio se reportan en un número especial de la revista "Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics", dedicado al estudio de las cúspides.

 

"Nosotros investigamos a través de los primeros cinco años de datos en el archivo de la misión Cluster, buscando un evento durante el cual, las naves se movieran en la magnetosfera, dentro de las cúspides, como una vía para estudiar mejor cómo variaban las propiedades de la cúspide en el espacio y tiempo", explica Nykyri. El evento que Nykyri y sus colaboradores identificaron fue particularmente favorable en este contexto porque mientras las cuatro naves espaciales ingresaron a la cúspide norteña, el 14 de febrero de 2003, su separación era muy grande, de aproximadamente 5.000 km. "En ese instante, el campo magnético interplanetario cambió de dirección -de Norte a Sur- cambiando el sitio dónde los eventos de reconexión magnética ocurren, de un lado de la cúspide al opuesto".

 

 

Los componentes del ambiente magnético de la Tierra.

Crédito: ESA.

 

Un evento del reconexión magnética es una variación en la configuración de las líneas de campo magnético, el cual también produce liberación de energía. Una variación en la reconexión cambia la localización, tamaño y forma de la región del campo magnético débil en la cúspide - también llamada cavidad diamagnética. Cuando la misión Cluster atravesó la cúspide, detectaron una cavidad cuya estructura estaba variando debido al evento de reconexión magnética. Esto se logró debido a que no todas las naves ingresaban a la cúspide, permitiendo realizar mediciones en un área extensa.

 

Durante estos cruces, las naves Cluster sondearon la distribución de electrones, protones e iones de oxígeno. Los datos revelaron que estas partículas tienen una energía sustancialmente más alta dentro de la cavidad, en dónde el campo magnético es bajo, que en las afueras de la misma, en donde la energía declina a medida que se aleja. Además, los datos indicaron que la mayoría de los electrones se estaban moviendo casi perpendicularmente a la dirección del campo magnético.

 

"El hecho de detectar grandes cantidades de partículas con alta energía en la cavidad y muy pocas en la magnetosfera, en donde el campo magnético es más fuerte, sugiere que las partículas están siendo energizadas localmente", nota Nykyry. "No obstante, nuestro argumento va en dirección al movimiento de los electrones en la cavidad". Si la aceleración se produjese en el arco de choque o en la magnetosfera produciría electrones que se moverían fundamentalmente en paralelo al campo magnético de la cavidad diamagnética. Cómo aparecen moviéndose de forma perpendicular, los mismos deben estar acelerándose dentro de las cúspides. 

 

Habiendo estrechado el sitio dónde las partículas ganan a su energía, Nykyri y sus colaboradores investigaron los posibles mecanismos de aceleración. Desde que los datos sugirieron que una correlación existe entre los cambios en la estructura de la cavidad y la ocurrencia de reconexión magnética, ellos verificaron si este mecanismo pudiera ser responsable de acelerar las partículas.

 

"Nosotros usamos las simulaciones para estudiar la dinámica de las cúspides durante la reconexión magnética, explica al coautor del trabajo, Eric Adamson del Max – Planck – Institut für Sonnensystemforschung (Alemania). "Nuestras simulaciones revelaron que los eventos del reconexión magnética contribuyen significativamente a modificar la estructura del potencial eléctrico dentro de las cúspides". Esto es particularmente interesante dado que las partículas ganan energía cuando cruzan regiones con diferencias de potencial. Las simulaciones también mostraron que la configuración geométrica de la cavidad puede atrapar eficazmente partículas por periodos significativos de tiempo dentro de la cúspide.

 

Simulaciones adicionales fueron ejecutadas por Antonius Otto de la Universidad de Alaska Fairbanks (Estados Unidos), también coautor del trabajo, papel investigar cuánta energía pueden ganar las partículas por vía de este mecanismo. "Cuando son atrapadas por mucho tiempo, las partículas con energías de decenas y centenas de electrón voltios (eV) pueden acelerarse fácilmente a valores de 40 keV o más". "En particular, los cambios en la estructura del potencial eléctrico, inducido por los eventos de reconexión magnética, pueden disparar la ganancia de energía de las partículas.

 

Este nuevo análisis de los datos de la misión Cluster no sólo podría haber resuelto un debate de vieja data sobre el origen de las partículas de alta energía en las cúspides de la magnetosfera de la Tierra, sino que también tiene implicaciones interesantes para otros ambientes, dónde la reconexión magnética tiene lugar en una geometría de campo magnético similar. Un ejemplo es la superficie del Sol, dónde este fenómeno es conocido por dar lugar a los estallidos solares (flares). "Sopesando nuestra comprensión de lo que ocurre en la Tierra, fácilmente podemos demostrar que las partículas en el Sol, pueden alcanzar energías del orden de MeV y GeV" explica Nykyri. Este simple argumento apoya la hipótesis que la reconexión magnética podría jugar un papel importante en el calentamiento de la corona del Sol, un problema que todavía permanece sin respuesta en el campo de físicas solar. 

 

"Entender la física de las cúspides de la magnetosfera de la Tierra ha sido una de las metas científicas principales de la misión Cluster, y este resultado apunta hacia uno de los tópicos más candentes que caracterizan estas regiones" intrigantes, comenta Philippe Escoubet, Gerente de la misión Cluster, de la ESA. "Una vez más, la misión probó su capacidad de medir en el sitio, el campo magnético de la Tierra, aportando una visión fresca de un fenómeno, como la reconexión magnética, que es pertinente a una amplia gama de ambientes físicos y astrofísicos. 

 

Fuente:

Agencia Espacial Europea, ESA.

http://sci.esa.int/jump.cfm?oid=50424