Aquí en la Tierra tenemos la suerte de tener una atmósfera viable, protegida por la magnetosfera de la Tierra. Sin esta envoltura protectora, la vida en la superficie sería bombardeada por la radiación dañina que emana del Sol. Sin embargo, la atmósfera superior de la Tierra sigue goteando lentamente, con alrededor de 90 toneladas de material al día escapando de la atmósfera superior y fluyendo hacia el espacio.
Y aunque los astrónomos han estado investigando esta filtración durante algún tiempo, todavía hay muchas preguntas sin respuesta. Por ejemplo, ¿cuánto material se pierde en el espacio, de qué tipo y cómo interactúa esto con el viento solar para influir en nuestro entorno magnético? Tal ha sido el propósito del proyecto Cluster de la Agencia Espacial Europea, una serie de cuatro naves espaciales idénticas que han estado midiendo el entorno magnético de la Tierra durante los últimos 15 años.
Comprender la interacción de nuestra atmósfera con el viento solar primero requiere que comprendamos cómo funciona el campo magnético de la Tierra. Para empezar, se extiende desde el interior de nuestro planeta (y se cree que es el resultado de un efecto dinamo en el núcleo), y llega hasta el espacio. Esta región del espacio, sobre la cual nuestro campo magnético ejerce influencia, se conoce como la magnetosfera.
La porción interna de esta magnetosfera se llama plasmasfera, una región en forma de rosquilla que se extiende a una distancia de aproximadamente 20,000 km de la Tierra y gira junto con ella. La magnetosfera también se inunda con partículas cargadas e iones que quedan atrapados dentro, y luego se envían rebotando de un lado a otro a lo largo de las líneas de campo de la región.
En su borde delantero, orientado hacia el Sol, la magnetosfera se encuentra con el viento solar, una corriente de partículas cargadas que fluyen del Sol al espacio. El lugar donde hacen contacto se conoce como el "Choque del arco", que se llama así porque sus líneas de campo magnético obligan al viento solar a tomar la forma de un arco cuando pasan sobre nosotros.
A medida que el viento solar pasa sobre la magnetosfera de la Tierra, se une nuevamente detrás de nuestro planeta para formar una cola magnética, un tubo alargado que contiene láminas atrapadas de plasma y líneas de campo que interactúan. Sin esta envoltura protectora, la atmósfera de la Tierra se habría eliminado lentamente hace miles de millones de años, un destino que ahora se cree que le ha sucedido a Marte.
Dicho esto, el campo magnético de la Tierra no está exactamente sellado herméticamente. Por ejemplo, en los polos de nuestro planeta, las líneas de campo están abiertas, lo que permite que las partículas solares entren y llenen nuestra magnetosfera con partículas energéticas. Este proceso es el responsable de Aurora Borealis y Aurora Australis (también conocidas como las Luces del Norte y del Sur).
Al mismo tiempo, las partículas de la atmósfera superior de la Tierra (la ionosfera) pueden escapar de la misma manera, viajando a través de los polos y perdiéndose en el espacio. A pesar de aprender mucho sobre los campos magnéticos de la Tierra y cómo se forma el plasma a través de su interacción con varias partículas, mucho sobre todo el proceso no ha sido claro hasta hace muy poco.
Como Arnaud Masson, científico adjunto del proyecto de la ESA para la misión Cluster, declaró en un comunicado de prensa de la ESA:
“La cuestión del transporte de plasma y la pérdida atmosférica es relevante tanto para los planetas como para las estrellas, y es un tema increíblemente fascinante e importante. Comprender cómo se escapa la materia atmosférica es crucial para comprender cómo se puede desarrollar la vida en un planeta. La interacción entre el material entrante y saliente en la magnetosfera de la Tierra es un tema candente en este momento; ¿De dónde viene exactamente esto? ¿Cómo entró en nuestro espacio?“
Dado que nuestra atmósfera contiene 5 billones de toneladas de materia (eso es 5 x 1015, o 5,000,000 billones de toneladas), una pérdida de 90 toneladas por día no es demasiado. Sin embargo, este número no incluye la masa de "iones fríos" que se agregan regularmente. Este término se usa típicamente para describir los iones de hidrógeno que ahora sabemos que se pierden en la magnetosfera de forma regular (junto con los iones de oxígeno y helio).
Dado que el hidrógeno requiere menos energía para escapar de nuestra atmósfera, los iones que se crean una vez que este hidrógeno se convierte en parte de la plasmasfera también tienen poca energía. Como resultado, han sido muy difíciles de detectar en el pasado. Además, los científicos solo han sabido sobre este flujo de iones de oxígeno, hidrógeno y helio, que provienen de las regiones polares de la Tierra y reponen plasma en la magnetosfera, durante algunas décadas.
Antes de esto, los científicos creían que solo las partículas solares eran responsables del plasma en la magnetosfera de la Tierra. Pero en años más recientes, han llegado a comprender que otras dos fuentes contribuyen a la plasmasfera. Los primeros son esporádicos "penachos" de plasma que crecen dentro de la plasmasfera y se desplazan hacia el borde de la magnetosfera, donde interactúan con el plasma del viento solar en sentido contrario.
La otra fuente? La fuga atmosférica antes mencionada. Mientras que esto consiste en abundantes iones de oxígeno, helio e hidrógeno, los iones de hidrógeno fríos parecen jugar el papel más importante. No solo constituyen una cantidad significativa de materia perdida en el espacio, sino que también pueden desempeñar un papel clave en la configuración de nuestro entorno magnético. Además, la mayoría de los satélites que actualmente orbitan alrededor de la Tierra no pueden detectar los iones fríos que se agregan a la mezcla, algo que Cluster puede hacer.
En 2009 y en 2013, las sondas Cluster pudieron caracterizar su fuerza, así como la de otras fuentes de plasma que se agregan a la magnetosfera de la Tierra. Cuando solo se consideran los iones fríos, la cantidad de atmósfera que se pierde en el espacio asciende a varios miles de toneladas por año. En resumen, es como perder calcetines. No es gran cosa, pero te gustaría saber a dónde van, ¿verdad?
Esta ha sido otra área de enfoque para la misión Cluster, que durante la última década y media ha estado tratando de explorar cómo se pierden estos iones, de dónde vienen y cosas por el estilo. Como dijo Philippe Escoubet, científico de proyectos de la ESA para la misión Cluster:
“En esencia, necesitamos descubrir cómo el plasma frío termina en la magnetopausa.. Hay algunos aspectos diferentes a esto; necesitamos conocer los procesos involucrados en transportarlo allí, cómo estos procesos dependen del viento solar dinámico y las condiciones de la magnetosfera, y de dónde proviene el plasma en primer lugar: ¿se origina en la ionosfera, la plasmasfera o ¿en algún otro lugar?“
Las razones para entender esto son claras. Las partículas de alta energía, generalmente en forma de erupciones solares, pueden representar una amenaza para la tecnología espacial. Además, comprender cómo interactúa nuestra atmósfera con el viento solar también es útil cuando se trata de la exploración espacial en general. Considere nuestros esfuerzos actuales para ubicar la vida más allá de nuestro propio planeta en el Sistema Solar. Si hay algo que nos han enseñado décadas de misiones a planetas cercanos, es que la atmósfera y el entorno magnético de un planeta son cruciales para determinar la habitabilidad.
Muy cerca de la Tierra, hay dos ejemplos de esto: Marte, que tiene una atmósfera delgada y hace demasiado frío; y Venus, cuya atmósfera es demasiado densa y demasiado caliente. En el Sistema Solar exterior, la luna Titán de Saturno continúa intrigándonos, principalmente debido a la atmósfera inusual. Como el único cuerpo con una atmósfera rica en nitrógeno además de la Tierra, también es el único planeta conocido donde tiene lugar la transferencia de líquidos entre la superficie y la atmósfera, aunque con productos petroquímicos en lugar de agua.
Además, la misión Juno de la NASA pasará los próximos dos años explorando el propio campo magnético y la atmósfera de Júpiter. Esta información nos dirá mucho sobre el planeta más grande del Sistema Solar, pero también se espera arrojar algo de luz sobre la formación planetaria histórica en el Sistema Solar.
En los últimos quince años, Cluster ha podido contarles a los astrónomos mucho acerca de cómo la atmósfera de la Tierra interactúa con el viento solar, y ha ayudado a explorar fenómenos de campo magnético que apenas comenzamos a comprender. Y aunque hay mucho más por aprender, los científicos coinciden en que lo que se ha descubierto hasta ahora habría sido imposible sin una misión como Cluster.
