Últimos avances y futuro en la comprensión de la ionosfera.

Muy por encima de la superficie de la Tierra, dentro de la tenue atmósfera superior, hay un mar de partículas que han sido divididas en iones positivos y negativos por la dura radiación ultravioleta del sol. Esta es la ionosfera o termosfera, es una de las capas de la atmósfera terrestre, ionizada permanentemente debido a la fotoionización que provoca la radiación solar. También es llamada termosfera, pues en el proceso de ionización, los gases que la componen elevan su temperatura varios cientos de grados, de ahí su nombre. esta capa responde de manera única a las condiciones cambiantes del espacio, transformando el clima espacial en fenómenos observables y desde la Tierra, creando la aurora, y en casos más severos, interrumpiendo las señales de comunicaciones y causando a veces problemas de satélites.

Esta capa es un elemento muy importante para la meteorología espacial, pues es la interfaz de la Tierra con el espacio. Esta región atmosférica reacciona a los cambios tanto del espacio  como de la Tierra, y su comprensión es un clave para la prevención en la afectación de las tormentas solares.

Muchos de estos efectos en la ionosfera no son bien comprendidos, dejando la ionosfera, en su mayor parte, como una región misteriosa.

Pues bien, científicos del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, la Universidad Católica de América en Washington, DC, la Universidad de Colorado Boulder y la Universidad de California en Berkeley, presentaron nuevos resultados en las investigaciones sobre la ionosfera en la reunión de otoño del American Geophysical Union el 14 de diciembre de 2016, en San Francisco.

Los cambios en la ionosfera son impulsados ​​principalmente por la actividad del sol. Aunque pueda parecer inmutable para nosotros en el suelo, nuestro sol es, de hecho, una estrella muy dinámica y activa. Observando el sol en las longitudes de onda ultravioleta  desde el espacio, revela actividad constante, sea más alta o más baja, la actividad es contínua.
Ocasionalmente, el sol libera a través de eyecciones de masa coronal o (CME), enormes nubes de partículas que se aceleran lejos de la superficie del sol a velocidades de más de 1,5 millones de kilómetros por hora. Cuando una CME llega a la Tierra, sus campos magnéticos incrustados pueden interactuar con el campo magnético natural de la Tierra llamado la magnetosfera, a veces comprimiéndolo o incluso haciendo que partes de él se realineen.

Es este realineamiento o reconexión magnética es el que  transfiere energía al sistema atmosférico de la Tierra, desencadenando una reacción en cadena de campos eléctricos y magnéticos cambiantes que pueden enviar las partículas ya atrapadas cerca de la Tierra, en todas las direcciones. Estas partículas pueden crear uno de los eventos meteorológicos espaciales más reconocibles e inspiradores, la aurora.
Pero la transferencia de energía a la atmósfera no siempre es tan inocua. También puede calentar la atmósfera superior causando que se expanda como un globo de aire caliente pudiendo afectar  a los satélites en baja órbita de la tierra.

“Esta expansión significa que hay más material en altitudes más altas de lo que esperábamos”, dijo Delores Knipp, un científico espacial de la Universidad de Colorado Boulder. “Esas cosas extra pueden arrastrar a los satélites, interrumpiendo sus órbitas y haciéndolos más difíciles de rastrear”.

Este fenómeno se llama tracción por satélite. Una nueva investigación demuestra que esta comprensión de la respuesta de la atmósfera superior a las tormentas solares y la resultante tragedia del satélite  puede no siempre ser verdad.

“Nuestra comprensión básica ha sido que las tormentas geomagnéticas ponen energía en el sistema terrestre, lo que lleva a la hinchazón de la termosfera, que puede tirar de los satélites hacia abajo en las órbitas más bajas”, dijo Knipp, investigador principal en estos nuevos resultados. “Pero no siempre es así”.

Revolutions in understanding the ionosphere, Earth's interface to space

La expansión de la atmósfera superior de la Tierra durante las tormentas geomagnéticas puede alterar las órbitas de los satélites, trayéndolos cada vez más bajos. Crédito: NASA

A 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 un agente refrigerante a alturas muy elevadas, promoviendo la pérdida de energía al espacio, por lo que un aumento significativo en este compuesto puede causar un fenómeno llamado sobreenfriamiento.

“El enfriamiento excesivo hace que la atmósfera arroje rápidamente energía de la tormenta geomagnética mucho más rápido de lo previsto”, dijo Knipp. “Es como si el termostato de la atmósfera superior estuviera atascado”.

Esta rápida pérdida de energía contrarresta la expansión anterior, provocando que la atmósfera superior se derrumbase hacia atrás, a veces hasta un estado aún más pequeño del que comenzó, dejando a los satélites viajando por regiones de menor densidad de lo previsto.
Un nuevo análisis de Knipp y su equipo clasifica los tipos de tormentas que probablemente darán lugar a este sobreenfriamiento y al rápido colapso de la atmósfera superior. Al comparar más de una década de mediciones de los satélites del Departamento de Defensa y la misión de la Termosfera, la Ionosfera, la Energía y la Dinámica de la Mesosfera o TIMED, los investigadores fueron capaces de detectar patrones de energía moviéndose a través de la atmósfera superior.

“El sobre enfriamiento es más probable que ocurra cuando una CME rápida y compacta sacuda el campo magnético de la Tierra”, dijo Knipp. “Las nubes lentas o las nubes mal organizadas no tienen el mismo efecto”.
Esto significa que, de manera contraria, las tormentas solares más enérgicas, probablemente proporcionarán un efecto neto de enfriamiento y contracción en la atmósfera superior, en lugar de calentarla y expandirla como se había entendido anteriormente.
Compitiendo con este proceso de enfriamiento es la calor causada por la energía de la tormenta solar haciendo su camino en la atmósfera de la Tierra. Aunque los científicos han sabido que la energía del viento solar finalmente llega a la ionosfera, han comprendido poco acerca de dónde, cuándo y cómo se produce esta transferencia. Nuevas observaciones muestran que el proceso es localizado e impulsivo, y en parte depende del estado de la ionosfera misma.

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, un flujo largo y constante de partículas solares, Corriente menos consistente. Sin embargo, nuevos datos muestran que la forma en que se mueve la energía está mucho más estrechamente ligada a los mecanismos por los cuales la magnetosfera y la ionosfera están vinculadas.

“El proceso de transferencia de energía resulta ser muy similar al modo en que se forma un rayo durante una tormenta”, dijo Bob Robinson, un científico espacial de la NASA Goddard y la Universidad Católica de América.

Durante una tormenta eléctrica, una acumulación de diferencia de potencial eléctrico llamadao voltaje entre una nube y el suelo, conduce a una descarga repentina y violenta de esa energía eléctrica en forma de relámpago. Esta descarga sólo puede ocurrir si hay una vía eléctrica que conduce entre la nube y el suelo, llamada líder.
De manera similar, el viento solar que golpea la magnetosfera puede acumular 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 descargue en la ionosfera como una especie de relámpago.

Revolutions in understanding the ionosphere, Earth's interface to space

El Explorador de la Conexión Ionosférica de la NASA, o ICON, y la Observación Global de la NASA o la misión GOLD, tomarán observaciones complementarias de la ionosfera y la atmósfera superior de la Tierra. Crédito: NASA

“Los relámpagos terrestres tardan varios milisegundos en producirse, mientras que este relámpago de magnetosfera-ionosfera dura varias horas y la cantidad de energía transferida es de cientos a miles de veces mayor”, dijo Robinson, investigador principal en estos nuevos resultados.

Estos resultados se basan en datos de la constelación mundial de comunicaciones por satélite Iridium. Debido a que las tormentas solares mejoran las corrientes eléctricas que permiten que este rayo magnetosfera-ionosfera tenga lugar, 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 relámpago de ionosfera-magnetosfera se asocia con el calentamiento de la ionosfera y la atmósfera superior, así como una aurora más potente.

Aunque los científicos están progresando en la comprensión de los procesos clave que impulsan los cambios en la ionosfera y, a su vez, en la Tierra, todavía queda mucho por entender. En 2017, la NASA lanzará dos misiones para investigar esta región tan dinámica: el explorador de conexión ionosférica, o ICON, y las observaciones globales con GOLD.

“La ionosfera no sólo reacciona a la entrada de energía por las tormentas solares”, dijo Scott England, un científico espacial de la Universidad de California, Berkeley, que trabaja en las misiones ICON y GOLD. “El clima terrestre, como los huracanes y los patrones de viento, pueden moldear 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 neutras en la atmósfera incluidas las formadas por el clima terrestre para entender cómo interactúan. GOLD tomará muchas de las mismas medidas, pero a partir de la órbita geoestacionaria, lo que da una visión global de cómo la ionosfera cambia.

Tanto ICON como GOLD aprovecharán un fenómeno llamado airglow  que consiste en la luz emitida por el gas que está excitado o ionizado por la radiación solar  para estudiar la ionosfera. Mediante la medición de la luz de la luz del aire, los científicos pueden rastrear la composición cambiante, la densidad, e incluso la temperatura de las partículas en la ionosfera y la atmósfera neutral.
La posición de ICON  le permitirá estudiar la atmósfera en perfil, dando a científicos una mirada sin precedentes al estado de la ionosfera en una gama de altitudes. Mientras tanto, la posición de GOLD  le dará la oportunidad de rastrear los cambios en la ionosfera a medida que se mueven por todo el mundo, similar a cómo un satélite meteorológico sigue una tormenta.

En el siguiente vídeo observarán una vista básica de las órbitas de ICON (Ionospheric Connections Explorer) y GOLD (Global-scale Observations of the Limb and Disk). En esta visualización, GOLD (en órbita geoestacionaria alrededor de la Tierra) e ICON (en órbita terrestre baja). Los colores sobre la Tierra representan datos de modelo del modelo IRI (Ionesfera de Referencia Internacional) de la densidad del átomo de oxígeno ionizado individualmente a una altitud de 350 kilómetros. El rojo representa la alta densidad. La densidad de iones se incrementa por encima y por debajo del ecuador geomagnético (no perfectamente alineado con el ecuador geográfico) en la parte del día debido a los efectos ionizantes de la radiación ultravioleta solar combinada con los efectos de los vientos de alta altitud y el campo geomagnético.

               

 

Fuente: https://www.nasa.gov/feature/goddard/2016/revolutions-in-understanding-the-ionosphere-earth-s-interface-to-space

 

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