Una tormenta geomagnética el 17 de enero de 2013, proporcionó observaciones únicas que finalmente resolvieron un problema científico de larga data. Durante décadas, los científicos habían preguntado cómo se perdieron las partículas que golpean la magnetosfera de la Tierra. Un mecanismo probable involucraba ciertas ondas electromagnéticas que dispersaban partículas en la atmósfera de la Tierra.Más recientemente, se propuso otro mecanismo que provocó la pérdida de partículas en el espacio interplanetario. Yuri Shprits, del Centro de Investigación de Geociencias de GFZ y la Universidad de Potsdam, junto con colegas de varias instituciones, descubrieron recientemente que ambos mecanismos juegan un papel que afectapartículas a diferentes velocidades.
"Este estudio resuelve algunas preguntas científicas fundamentales sobre nuestro entorno espacial y también puede ayudar a comprender procesos fundamentales que ocurren en otros lugares del espacio, en el Sol, en planetas exteriores, galaxias distantes y exoplanetas", dice Yuri Shprits. Agrega: "Este estudio también nos ayudará a predecir y ahora proyectar el entorno espacial y proteger valiosos satélites en el espacio ". El estudio aparecerá en Comunicaciones de la naturaleza .
Utilizando mediciones de la primera misión satelital de EE. UU., Explorer 1, lanzada el 31 de enero de 1958, el físico James Van Allen descubrió que el espacio era radiactivo. La Tierra está rodeada por dos regiones en forma de rosquilla de muy alta radiación de partículas anidadas entre sí quese denominan cinturones de radiación de Van Allen. Las partículas de alta energía que pueblan los cinturones crean un ambiente muy hostil para los satélites y los humanos en el espacio. Al tener una energía muy alta y volar a una velocidad muy cercana a la velocidad de la luz, estas partículas puedeninducen una carga diferencial en la superficie o dentro de la nave espacial y causan numerosas anomalías de satélites para satélites de telecomunicaciones, navegación, científicos y de observación de la Tierra. Las partículas que son más difíciles de proteger de la nave espacial son los electrones relativistas y ultra-relativistas.
En los últimos años, ha habido mucho interés en comprender los cinturones de radiación de Van Allen. Ahora más que nunca, confiamos en la tecnología en el espacio. Las nuevas tecnologías de elevación de la órbita eléctrica ahora requieren que los satélites de telecomunicaciones pasen mucho tiempo en la VanLos cinturones Allen y los satélites GPS funcionan directamente en el corazón de los cinturones. El aumento de la miniaturización de la electrónica espacial hace que los satélites sean más vulnerables a la radiación espacial que nunca.
Si bien es posible aumentar el blindaje de los satélites y proteger los satélites de partículas relativistas velocidades superiores a 0.9 de la velocidad de la luz, el blindaje de partículas ultra-relativistas velocidades superiores a 0.99 de la velocidad de la luz es prácticamenteimposible. Comprender la dinámica de estas poblaciones de partículas ha sido un gran desafío para los científicos desde que se descubrió la radiación espacial hace más de medio siglo. Las primeras observaciones mostraron que los cinturones son muy dinámicos. A diferencia de los océanos y las atmósferas que no cambian significativamente en escalas de tiempo cortas, los flujos de partículas en los cinturones de radiación pueden cambiar hasta un factor de 1000 en cuestión de horas o menos. Los más dramáticos son los llamados abandonos que a menudo ocurren durante tormentas geomagnéticas causadas por las erupciones solares o el viento solar rápido.de los agujeros coronales.
Desde finales de los años sesenta y principios de los setenta, se ha dedicado mucha investigación a comprender la pérdida de electrones de los cinturones de Van Allen. Los científicos estudiaron observaciones desde el suelo, observaciones en globo de explosiones de rayos X e in situobservaciones. Los mecanismos de pérdida permanecieron esquivos y no se entendieron bien. "Y sin embargo, se requiere la comprensión de los procesos de pérdida para especificar el ambiente de radiación y desarrollar modelos que ahora puedan proyectar y pronosticar el ambiente de radiación", dice Yuri Shprits, quien recientemente se unió al GFZ German.Centro de Investigación de Geociencias en una cita conjunta con la Universidad de Potsdam.
Una de las teorías propuestas fue que las partículas se dispersan en la atmósfera por las ondas de ciclotrón de iones electromagnéticos EMIC. Estas ondas son producidas por la inyección de iones que son más pesados que los electrones y transportan mucha energía. Estas ondas pueden potencialmente dispersarseelectrones a la atmósfera. Hasta hace poco, ese seguía siendo el candidato más probable para la pérdida de electrones. En 2006, Yuri Shprits y sus colegas sugirieron otro mecanismo. En este mecanismo, las partículas se perdieron en el espacio interplanetario, lo que resultó enagotamiento de la densidad de partículas y difusión externa de electrones. Esta teoría recibió mucha atención, y varios estudios proporcionaron evidencia observacional para este mecanismo de pérdida. El modelado de las poblaciones de electrones en masa en energías relativistas también pareció favorecer este mecanismo y no lo hizo.requieren procesos de pérdida adicionales por ondas EMIC. No quedó claro qué mecanismo funcionó o dominó durante las tormentas, pero sí exp.los abandonos más dramáticos de la población en el entorno espacial.
Incluso las observaciones satelitales multipunto detalladas aumentadas que han estado disponibles desde el lanzamiento de la Sonda de Tormentas del Cinturón de Radiación Van Allen de la NASA parecían incapaces de proporcionar respuestas definitivas. La pérdida real de partículas puede ser difícil de inferir ya que puede estar enmascarada por variaciones asociadas con las variacionesen el campo magnético o en los mecanismos de aceleración competitivos que pueden operar de manera diferente a diferentes energías. Además, ambos mecanismos de pérdida propuestos se intensifican durante las tormentas, lo que hace muy difícil distinguir uno del otro. Los científicos trataron de aislar diferentes procesos entre sí, pero la tareaparecía ser prácticamente imposible de lograr.
"La combinación única de eventos que ocurrieron antes y durante las tormentas geomagnéticas del 17 de enero de 2013 finalmente nos permitió resolver definitivamente esta pregunta científica de larga data", dice el autor principal del estudio, el profesor Yuri Shprits.
La combinación de condiciones durante las tormentas del 17 de enero de 2013 proporcionó una coincidencia muy singular de diferentes factores que finalmente permitieron a los científicos de GFZ, University of Potsdam, UCLA, Stanford, Berkeley, Augsburg College, LASP, UNH y Sodankylä Geophysical Observatory.toresuelva este problema científico de larga data. Entre las coincidencias afortunadas que ayudaron a los investigadores fue: 1 que los cinturones estaban poblados por una tormenta anterior que permitía a los detectores medir distribuciones detalladas de partículas en el espacio, energía y dirección de propagación durante esta tormenta;2 que los flujos más intensos de relativistas y ultra-relativistas se encontraban en diferentes lugares de los cinturones y, por lo tanto, las poblaciones de partículas no se afectaban entre sí;y 3 las partículas ultra-relativistas se ubicaron en el interior de la magnetosfera y no se vieron afectadas por la pérdida de la magnetopausa.
Las mediciones detalladas en las sondas de Van Allen mostraron que las ondas EMIC dispersaban partículas en la atmósfera, pero solo afectaban a los electrones ultra-relativistas sin afectar las partículas relativistas que se consideraron en muchos estudios anteriores. En las energías ultra-relativistas, los electrones vuelan extremadamente cerca dela velocidad de la luz, y en su marco de referencia gira alrededor de la línea de campo en el mismo sentido que las ondas. Al estar en resonancia con los electrones, las ondas pueden dispersar de manera muy efectiva elecciones ultra-relativistas en la atmósfera. Distribuciones en distancia radial, energía y dirección dela velocidad proporcionó evidencia definitiva de que este mecanismo de pérdida es más eficiente en energías ultra-relativistas. El modelado detallado que incluye ondas EMIC mostró resultados notablemente buenos, básicamente idénticos a las observaciones, confirmando una vez más las conclusiones del estudio.
Este estudio resuelve algunas preguntas científicas fundamentales sobre nuestro entorno espacial y también puede ayudar a comprender los procesos fundamentales que ocurren en otras partes del espacio en el Sol, en planetas exteriores, galaxias distantes y exoplanetas. Yuri Shprits agrega: "Este estudio tambiénayúdenos a predecir y proyectar el entorno espacial y proteger valiosos satélites en el espacio. También puede ayudar a desarrollar métodos para limpiar los cinturones de radiación de la radiación dañina y hacer que el entorno alrededor de la Tierra sea más amigable para los satélites ". El estudio involucró a dos estudiantes graduados de GFZIrina Zhelavskaya y Nikita Aseev.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Helmholtz Center Potsdam - GFZ Centro Alemán de Investigación de Geociencias . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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