Una pequeña pero creciente abolladura en el campo magnético de la Tierra puede causar grandes dolores de cabeza a los satélites.
El campo magnético de la Tierra actúa como un escudo protector alrededor del planeta, repeliendo y atrapando las partículas cargadas del Sol. Pero sobre Sudamérica y el sur del Océano Atlántico, un punto inusualmente débil en el campo, llamado Anomalía del Atlántico Sur, o SAA, permite que estas partículas se sumerjan más cerca de la superficie de lo normal. La radiación de partículas en esta región puede dejar sin sentido a los ordenadores de a bordo e interferir con la recogida de datos de los satélites que la atraviesan, una razón clave por la que los científicos de la NASA quieren rastrear y estudiar la anomalía.
La Anomalía del Atlántico Sur también es de interés para los científicos de la Tierra de la NASA que monitorean los cambios en la fuerza del campo magnético allí, tanto por la forma en que tales cambios afectan la atmósfera de la Tierra como por ser un indicador de lo que está sucediendo con los campos magnéticos de la Tierra, en las profundidades del globo.
Actualmente, el SAA no crea impactos visibles en la vida diaria en la superficie. Sin embargo, observaciones y pronósticos recientes muestran que la región se está expandiendo hacia el oeste y continúa debilitándose en intensidad. También se está dividiendo: datos recientes muestran que el valle de la anomalía, o región de mínima intensidad de campo, se ha dividido en dos lóbulos, lo que crea desafíos adicionales para las misiones de los satélites.
Una gran cantidad de científicos de la NASA en grupos de investigación geomagnéticos, geofísicos y heliofísicos observan y modelan la SAA, para monitorear y predecir futuros cambios y ayudar a prepararse para futuros desafíos a los satélites y a los humanos en el espacio.
Lo que cuenta es lo que hay dentro
La Anomalía del Atlántico Sur surge de dos características del núcleo de la Tierra: La inclinación de su eje magnético, y el flujo de metales fundidos dentro de su núcleo exterior.
La Tierra es un poco como una barra magnética, con los polos norte y sur que representan polaridades magnéticas opuestas y líneas de campo magnético invisibles que rodean el planeta entre ellos. Pero a diferencia de una barra magnética, el campo magnético del núcleo no está perfectamente alineado a través del globo, ni es perfectamente estable. Eso es porque el campo se origina en el núcleo exterior de la Tierra: fundido, rico en hierro y en movimiento vigoroso a 1.800 millas bajo la superficie. Estos metales agitados actúan como un generador masivo, llamado geodínamo, creando corrientes eléctricas que producen el campo magnético.
El campo magnético de la Tierra actúa como un escudo protector alrededor del planeta, repeliendo y atrapando las partículas cargadas del Sol. Pero sobre Sudamérica y el sur del Océano Atlántico, un punto inusualmente débil en el campo, llamado Anomalía del Atlántico Sur, o SAA, permite que estas partículas se sumerjan más cerca de la superficie de lo normal. Actualmente, la SAA no crea impactos visibles en la vida diaria en la superficie. Sin embargo, observaciones y pronósticos recientes muestran que la región se está expandiendo hacia el oeste y continúa debilitándose en intensidad. La Anomalía del Atlántico Sur también es de interés para los científicos de la Tierra de la NASA que monitorean los cambios en la fuerza magnética allí, tanto por la forma en que tales cambios afectan la atmósfera de la Tierra como por ser un indicador de lo que está sucediendo con los campos magnéticos de la Tierra, en las profundidades del globo. Crédito: El Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA
A medida que el movimiento del núcleo cambia con el tiempo, debido a las complejas condiciones geodinámicas dentro del núcleo y en el límite con el manto sólido arriba, el campo magnético fluctúa en el espacio y en el tiempo también. Estos procesos dinámicos en el núcleo se ondulan hacia el campo magnético que rodea al planeta, generando el SAA y otras características en el entorno cercano a la Tierra, incluyendo la inclinación y la deriva de los polos magnéticos, que se mueven a lo largo del tiempo. Estas evoluciones del campo, que ocurren en una escala de tiempo similar a la de la convección de los metales en el núcleo exterior, proporcionan a los científicos nuevas pistas que les ayudan a desentrañar la dinámica del núcleo que impulsa la geodinamo.
«El campo magnético es en realidad una superposición de campos de muchas fuentes actuales», dijo Terry Sabaka, un geofísico del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland. Las regiones fuera de la Tierra sólida también contribuyen al campo magnético observado. Sin embargo, dijo, la mayor parte del campo proviene del núcleo.
Las fuerzas en el núcleo y la inclinación del eje magnético juntos producen la anomalía, el área de magnetismo más débil, permitiendo que las partículas cargadas atrapadas en el campo magnético de la Tierra se sumerjan más cerca de la superficie.
El Sol expulsa un flujo constante de partículas y campos magnéticos conocidos como el viento solar y vastas nubes de plasma caliente y radiación llamadas eyecciones de masa coronal. Cuando este material solar fluye a través del espacio y golpea la magnetosfera de la Tierra, el espacio ocupado por el campo magnético de la Tierra, puede quedar atrapado y retenido en dos cinturones en forma de dona alrededor del planeta llamados los Cinturones de Van Allen. Los cinturones restringen las partículas para que viajen a lo largo de las líneas de campo magnético de la Tierra, rebotando continuamente de un polo a otro. El cinturón más interno comienza a unos 400 kilómetros de la superficie de la Tierra, lo que mantiene su radiación de partículas a una distancia saludable de la Tierra y sus satélites orbitales.
Sin embargo, cuando una tormenta particularmente fuerte de partículas del Sol llega a la Tierra, los cinturones de Van Allen pueden llegar a estar muy energizados y el campo magnético puede ser deformado, permitiendo que las partículas cargadas penetren en la atmósfera.
«El SAA observado también puede interpretarse como consecuencia del debilitamiento del dominio del campo dipolar en la región», dijo Weijia Kuang, geofísica y matemática del Laboratorio de Geodesia y Geofísica de Goddard. «Más concretamente, un campo localizado con polaridad invertida crece fuertemente en la región del SAA, lo que hace que la intensidad del campo sea muy débil, más débil que la de las regiones circundantes».
Un bache en el espacio
Aunque la Anomalía del Atlántico Sur surge de procesos dentro de la Tierra, tiene efectos que llegan mucho más allá de la superficie terrestre. La región puede ser peligrosa para los satélites de órbita terrestre baja que la atraviesan. Si un satélite es golpeado por un protón de alta energía, puede provocar un cortocircuito y causar un evento llamado perturbación de evento único o SEU. Esto puede hacer que la función del satélite se vea afectada temporalmente o puede causar un daño permanente si se golpea un componente clave. Para evitar la pérdida de instrumentos o de un satélite entero, los operadores suelen apagar los componentes no esenciales al pasar por el SAA. De hecho, el Explorador de la Conexión Ionosférica de la NASA viaja regularmente a través de la región y así la misión mantiene un seguimiento constante de la posición del SAA.
Los cinturones impiden que las partículas viajen a lo largo de las líneas del campo magnético de la Tierra, rebotando continuamente de un polo a otro.
Crédito: NASA Goddard / Tom Bridgman
La Estación Espacial Internacional, que está en la órbita terrestre baja, también pasa por la SAA. Está bien protegida, y los astronautas están a salvo de cualquier daño mientras están dentro. Sin embargo, la ISS tiene otros pasajeros afectados por los altos niveles de radiación: Instrumentos como la misión de Investigación de la Dinámica de los Ecosistemas Mundiales, o GEDI, recogen datos de varias posiciones en el exterior de la ISS. La SAA provoca «blips» en los detectores de GEDI y reajusta los tableros de potencia del instrumento aproximadamente una vez al mes, dijo Bryan Blair, investigador principal adjunto de la misión y científico de instrumentos, y científico de instrumentos lidar en Goddard.
«Estos eventos no causan ningún daño a GEDI», dijo Blair. «Los destellos del detector son raros comparados con el número de disparos de láser, aproximadamente un destello en un millón de disparos, y el evento de la línea de restablecimiento causa un par de horas de pérdida de datos, pero sólo ocurre cada mes o algo así».
Además de medir la intensidad del campo magnético de la SAA, los científicos de la NASA también han estudiado la radiación de partículas en la región con el Explorador de Partículas Solares, Anómalas y Magnetosféricas, o SAMPEX – la primera de las misiones de Pequeños Exploradores de la NASA, lanzada en 1992 y que proporciona observaciones hasta el 2012. Un estudio, dirigido por la heliofísica de la NASA Ashley Greeley como parte de su tesis doctoral, utilizó dos décadas de datos del SAMPEX para demostrar que el SAA está a la deriva lenta pero constantemente en dirección noroeste. Los resultados ayudaron a confirmar los modelos creados a partir de las mediciones geomagnéticas y mostraron cómo la ubicación del SAA cambia a medida que evoluciona el campo geomagnético.
«Estas partículas están íntimamente asociadas con el campo magnético, que guía sus movimientos», dijo Shri Kanekal, un investigador del Laboratorio de Física Heliosférica de la NASA Goddard. «Por lo tanto, cualquier conocimiento de las partículas te da información sobre el campo geomagnético también.»
Los resultados de Greeley, publicados en la revista Space Weather, también pudieron proporcionar una clara imagen del tipo y la cantidad de radiación de partículas que reciben los satélites cuando pasan por la SAA, lo que enfatizó la necesidad de continuar la vigilancia en la región.
La información que Greeley y sus colaboradores obtuvieron de las mediciones in situ del SAMPEX también ha sido útil para el diseño de los satélites. Los ingenieros del satélite de órbita terrestre baja, o LEO, utilizaron los resultados para diseñar sistemas que impidieran que un evento de enganche causara el fallo o la pérdida de la nave espacial.
Modelización de un futuro más seguro para los satélites
Para comprender cómo está cambiando el SAA y prepararse para futuras amenazas a los satélites e instrumentos, Sabaka, Kuang y sus colegas utilizan las observaciones y la física para contribuir a los modelos globales del campo magnético de la Tierra.
El equipo evalúa el estado actual del campo magnético utilizando datos de la constelación Swarm de la Agencia Espacial Europea, de misiones anteriores de agencias de todo el mundo y de mediciones en tierra. El equipo de Sabaka separa los datos de observación para separar su fuente antes de pasarlos al equipo de Kuang. Combinan los datos clasificados del equipo de Sabaka con su modelo de dinámica central para pronosticar la variación secular geomagnética (cambios rápidos en el campo magnético) hacia el futuro.
Los modelos de geodinamo son únicos en su capacidad de utilizar la física central para crear pronósticos de un futuro cercano, dijo Andrew Tangborn, un matemático del Laboratorio de Geodinámica Planetaria de Goddard.
«Esto es similar a la forma en que se producen los pronósticos del tiempo, pero estamos trabajando con escalas de tiempo mucho más largas», dijo. «Esta es la diferencia fundamental entre lo que hacemos en Goddard y la mayoría de los otros grupos de investigación que modelan los cambios en el campo magnético de la Tierra».
Una de esas aplicaciones a las que Sabaka y Kuang han contribuido es el Campo de Referencia Geomagnético Internacional, o IGRF. Utilizado para una variedad de investigaciones desde el núcleo hasta los límites de la atmósfera, el IGRF es una colección de modelos candidatos hechos por equipos de investigación de todo el mundo que describen el campo magnético de la Tierra y rastrean cómo cambia en el tiempo.
«Aunque el SAA es de movimiento lento, está pasando por algunos cambios en la morfología, por lo que también es importante que sigamos observándolo mediante misiones continuas», dijo Sabaka. «Porque eso es lo que nos ayuda a hacer modelos y predicciones».
El cambiante SAA proporciona a los investigadores nuevas oportunidades para entender el núcleo de la Tierra, y cómo su dinámica influye en otros aspectos del sistema terrestre, dijo Kuang. Al rastrear esta «abolladura» de evolución lenta en el campo magnético, los investigadores pueden entender mejor la forma en que nuestro planeta está cambiando y ayudar a preparar un futuro más seguro para los satélites.
por Mara Johnson-Groh y Jessica Merzdorf, Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA
(Imagen de portada ; Esta visualización estereoscópica muestra un modelo simple del campo magnético de la Tierra. El campo magnético protege parcialmente a la Tierra de las partículas cargadas dañinas que emanan del Sol. Crédito: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA)