Cluster y la meteorología espacial

A pesar de las apariencias, el espacio que rodea nuestro planeta no está vacío. La Tierra está envuelta en varias capas de atmósfera, se ve bañada constantemente por un flujo de partículas cargadas procedentes del Sol —lo que se conoce como el viento solar— y envía líneas de su propio campo magnético al cosmos. 

Nuestra ubicación en el espacio está inundada por este campo, que actúa como escudo contra la radiación extrema y potencialmente nociva que pudiera llegar. También define la magnetosfera del planeta, una región dominada por el campo magnético terrestre y llena de energía que aumenta con el viento solar y que se libera esporádicamente al entorno cercano a la Tierra. 

Ahí es donde entra en escena la “meteorología”. En ocasiones, experimentamos tormentas eléctricas que interactúan con los cinturones de radiación, la atmósfera y la superficie de la Tierra. Uno de los ejemplos más famosos son las auroras que pueden verse en los polos. Estos halos de luz se forman cuando el viento solar perturba las capas superiores de nuestra atmósfera.

La meteorología espacial tiene un impacto real en nuestras actividades y supone un riesgo importante para los viajes espaciales, tanto humanos como robóticos. Las ráfagas de partículas de alta energía procedentes del Sol pueden contener hasta cien millones de toneladas de material, y este puede atravesar las paredes de las naves o afectar a sus sistemas electrónicos, inhabilitar satélites y, en la Tierra, puede provocar fallos en transformadores y en la red eléctrica. En la actualidad, unos 1.800 satélites activos circunvalan nuestro planeta, y cada vez dependemos más de la tecnología espacial. 

“Esto ilustra la necesidad creciente de previsiones de meteorología espacial más precisas —constata Philippe Escoubet, científico de proyecto para la misión Cluster de la ESA—. Para comprender y pronosticar los fenómenos meteorológicos, tenemos que saber más sobre la relación entre la Tierra y el Sol, así como sobre la apariencia y la actividad del entorno magnético alrededor de la Tierra. Y precisamente ahí es donde Cluster nos está ayudando”. 

Hay varias naves investigando el entorno magnético alrededor de la Tierra y su interacción con el viento solar. Se trata de esfuerzos colaborativos a nivel internacional, como los observatorios Cluster y Swarm de la ESA, la misión Multiescala Magnetosférica (MMS) y las sondas Van Allen y THEMIS de la NASA, y las misiones japonesas Arase y Geotail de la JAXA/ISAS. 

Cluster comprende cuatro naves idénticas que vuelan en formación piramidal y es capaz de recopilar datos increíblemente detallados de la estructura compleja y las fluctuaciones de nuestro entorno magnético. 

Este cuarteto lleva casi cuatro décadas cartografiando nuestra magnetosfera e identificando flujos de plasma frío e interacciones con el viento solar, y estudiando nuestra magnetocola, una extensión de la magnetosfera que se extiende más allá de la Tierra en dirección opuesta al Sol. La misión también ha elaborado un modelo de las turbulencias a pequeña escala y de las intrincadas dinámicas del propio viento solar, y ha contribuido a explicar los misterios de las auroras terrestres.

Aunque este catálogo de descubrimientos ya es impresionante en sí, Cluster sigue produciendo nuevos hallazgos, especialmente en lo relativo a la meteorología espacial. Recientemente, la misión ha sido clave para construir modelos más precisos del campo magnético de nuestro planeta, tanto cerca de la superficie (a las denominadas altitudes geosíncronas) como a gran distancia, algo nada fácil. 

Estos últimos modelos se basaban en datos de Cluster y otras misiones mencionadas más arriba, elaborados por científicos como Nikolai Tsyganenko y Varvara Andreeva, de la Universidad Estatal de San Petersburgo (Rusia). Ofrecen una manera de trazar líneas de campo magnético y determinar cómo evolucionan y cambian durante las tormentas, creando así un mapa magnético de todos los satélites actualmente en órbita alrededor de la Tierra hasta a altitudes bajas. 

Además, la misión Swarm de la ESA también ofrece información sobre el campo magnético de nuestro planeta. Lanzada en 2013 y formada por tres satélites idénticos, Swarm mide con precisión las señales procedentes del núcleo, el manto, la corteza y los océanos, así como de la ionosfera y la magnetosfera. 

“Este tipo de investigación es valiosísimo —señala Escoubet—. Las emisiones inesperadas o extremas pueden dañar gravemente a los satélites que tenemos orbitando la Tierra, así que mejorar su seguimiento, a la vez que comprendemos mejor la estructura dinámica del campo magnético terrestre, es clave para su seguridad”.

Cluster observó recientemente el impacto de unas emisiones gigantescas de fotones y partículas altamente energéticas procedentes de las capas externas del Sol, conocidas como eyecciones de masa coronal. Los datos mostraron que estas eyecciones eran capaces de provocar tormentas geomagnéticas fuertes y débiles a medida que se deformaban al llegar al arco de choque de la Tierra, la frontera entre nuestra magnetosfera y el medio interestelar por donde llega el viento solar. 

Estas tormentas son fenómenos extremos. Cluster exploró una que tuvo lugar en septiembre de 2017, provocada por dos eyecciones de masa coronal consecutivas y separadas por 24 horas. Estudió su efecto en el flujo de partículas cargadas que abandonaban las regiones polares de la ionosfera, una capa de la atmósfera superior de la Tierra, a unos 100 km de altitud, y descubrió que este flujo era más de treinta veces mayor alrededor del casquete polar. Este aumento del flujo tiene consecuencias para la meteorología espacial, como una mayor resistencia para los satélites, y se cree que es el resultado del calentamiento de la ionosfera por efecto de múltiples fulguraciones solares de gran intensidad. 

La misión también ha observado cómo otros fenómenos afectan a nuestra magnetosfera. Detectó minúsculas anomalías calientes, localizadas en el flujo de viento solar que hizo vibrar la totalidad de la magnetosfera, y observó cómo esta crecía y menguaba significativamente en 2013, interactuando al mismo tiempo con los cinturones de radiación que rodean nuestro planeta. 

Coronal mass ejection
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Pero, sobre todo, midió la velocidad del viento solar en la “cresta” del arco de choque. Estas observaciones conectan los datos recopilados cerca de la Tierra con los obtenidos por satélites de observación del sol en el denominado punto de Lagrange 1, a 1,5 millones de kilómetros, como el Observatorio Heliosférico y Solar (SOHO) de la ESA/NASA  y el Explorador de Composición Avanzada (ACE) de la NASA. Estos datos ofrecen indicios importantísimos de las dinámicas del viento solar en esta región compleja y poco clara del espacio. 

“Todo esto, y aún más, nos ha permitido comprender mejor la dinámica del campo magnético terrestre y la relación que vemos con la meteorología espacial —reconoce Escoubet—. Cluster lleva 18 años produciendo datos científicos espectaculares, pero aún nos depara muchas sorpresas”.

Para más información:

Philippe Escoubet
Cluster Project Scientist
European Space Agency
Email: Philippe.Escoubet@esa.int

Markus Bauer
ESA Science Communication Officer
Tel: +31 71 565 6799
Mob: +31 61 594 3 954
Email: markus.bauer@esa.int