Un estudio para predecir la meteorología espacial

E n el sistema solar no existe el 'vacío'. Aquello que se entiende como un espacio en el medio interestelar entre los elementos del sistema solar y los planetas, son los denominados plasmas espaciales, un gas que si bien no es típico en la Tierra, es el estado más común de la materia cuando se sale de la atmósfera terrestre. La mayoría de la materia conocida en el Universo, un 99%, se encuentra en forma de plasmas, como es el caso de estrellas y medio interestelar, que responden a los campos electromagnéticos, lo que hace que sus efectos en la Tierra merezcan ser estudiados.

La humanidad tiene acceso a los plasmas espaciales desde hace relativamente poco tiempo, en concreto desde que se inició la carrera espacial con el lanzamiento del satélite Sputnik, en 1957. Hasta entonces, el comportamiento de este tipo de gases, también conocidos como el cuarto estado de la materia, era limitado. Hoy en día las agencias espaciales tienen la capacidad de insertar satélites en las órbitas de los diferentes cuerpos del sistema solar y recabar datos 'in situ' sobre la dinámica de estos gases ionizados. La finalidad de estos estudios permite, por un lado, avanzar la investigación de base sobre este estado de la materia y contrastar con datos los modelos teóricos sobre este tipo de gases y, por otro lado, estos plasmas determinan lo que se conoce como meteorología espacial, es decir, el estado del entorno espacial terrestre, que provoca las auroras boreales, pero también afecta a los tendidos eléctricos en zonas septentrionales y a los satélites (GPS) que orbitan a la Tierra.

La necesidad de estudiar cómo se comportan tiene un interés fundamental para entender la astrofísica y la evolución de los sistemas estelares, así como para desarrollar sistemas de detección temprana que permitan predecir el impacto de este tipo de eventos, que se originan en la atmósfera del Sol y que pueden dañar satélites de comunicación y a los propios astronautas. Ante esto, el equipo de investigación Heliosphere de la Universidad de Murcia inició un proyecto para avanzar en el conocimiento de un proceso fundamental que se da en los plasmas astrofísicos: la reconexión magnética. Ese fenómeno se da de forma natural, y convierte grandes cantidades de energía electromagnética en movimiento, creando chorros de partículas altamente aceleradas. Para lograrlo, estudian este hecho en diferentes regiones del sistema solar, donde las propiedades del plasma son muy diferentes.

El equipo está compuesto por perfiles expertos en la materia: Inma Albert (PhD candidate), Aida Castilla (PhD candidate), Víctor Montagud (Postdoc), Miguel Cervantes (alumno interno del Grado en Física) y Sergio Toledo (profesor titular). Además, forma parte del equipo de trabajo el investigador del CNRS francés Benoit Lavraud. A esto se añaden equipos científicos y técnicos de las misiones espaciales de Solar Orbiter (ESA), MagnetosphericMultiscale (NASA), y Parker Solar Probe (NASA), cuyos datos explotan para este proyecto.

El proyecto de investigación, titulado 'Reconexión magnética en plasmas espaciales', cuenta con el respaldo de la Fundación Séneca a través de las 'Ayudas a la realización de proyectos para el desarrollo de investigación científica y técnica por grupos competitivos 2022', con una duración de tres años y una dotación de 38.500 euros.

El equipo de investigación entiende el sistema solar como un laboratorio natural que permite incrementar el conocimiento y probar modelos teóricos, con la finalidad de extrapolarlo a otros plasmas astrofísicos que no son accesibles mediante satélites. En la superficie del Sol se producen continuamente llamaradas, ondas y otros fenómenos que se encargan de liberar energía y partículas al espacio exterior. Ese viento solar afecta a nivel terrestre desde las telecomunicaciones a larga distancia hasta la navegación del GPS. Las partículas solares también tienen a su vez importantes repercusiones en el entorno terrestre, como, por ejemplo, en la generación de episodios tan conocidos como las auroras boreales.

La evolución de estos tipos de partículas cerca de la Tierra es de suma importancia en el campo de la meteorología espacial, la disciplina que estudia la dinámica y los efectos de las partículas y la radiación electromagnética en el entorno espacial terrestre que provienen del Sol, y que tienen el potencial de afectar las actividades humanas y la tecnología. Hay varias hipótesis sobre qué mecanismos predominan en la liberación de estas partículas, que forman el viento solar y hace que viaje en todas las direcciones, desde el Sol hasta los confines del sistema solar, sin conclusiones exactas. El objetivo de este proyecto es estudiar el papel de la reconexión magnética en la generación y propagación de estos eventos, que puedan ser peligrosos, principalmente para satélites y astronautas, con el objetivo de mitigar sus consecuencias, ya que la meteorología espacial se encuentra en un estado embrionario, y muchas de sus bases físicas aún no han sido desveladas.

En una primera fase, los investigadores se centran en estudiar la reconexión magnética lejos de la Tierra, a medio camino con el Sol, a unos 75 millones de kilómetros, ya que a esa distancia todos los procesos dependen íntegramente de la actividad solar, de sus campos electromagnéticos y de las partículas que conocemos como viento solar. «Estamos construyendo un catálogo de observaciones del fenómeno de reconexión magnética por las distintas misiones espaciales con las que trabajamos. El siguiente paso es elaborar una estadística de las observaciones para cuantificar su abundancia, así como cuantificar la cantidad de energía que son capaces de transformar, en función de la situación original que desarrolló el fenómeno de reconexión», señala Sergio Toledo.

En una segunda fase, su interés se centra en estudiar la reconexión magnética en el lugar donde la influencia de la Tierra se vuelve fundamental, donde se mezcla el viento solar con la magnetosfera terrestre, a unos 70.000 km de distancia. «Las características de esa zona son muy diferentes en términos de energía de los campos electromagnéticos, ya que el campo magnético terrestre interviene, y también en términos de densidad y temperatura del plasma», aclara el investigador principal.

Todo esto es posible gracias a los datos que proporcionan la NASA y ESA (European Space Agency), obtenidos tres misiones que están llevando a cabo; agencias públicas y sin ánimo de lucro que proveen acceso al espacio, promoviendo el conocimiento científico y la exploración espacial del Universo, y que encuentran en este proyecto de investigación un incremento del conocimiento científico, buscando «servir de base para futuras detecciones tempranas o mitigaciones de los efectos de la meteorología espacial», indica Sergio Toledo.

«La radiación es un problema de primer orden para la salud de los astronautas que se hallan fuera del campo magnético terrestre, ya que este hace de escudo y les protege de ella. Eventos como llamaradas o eyecciones de masa coronal provenientes del Sol pueden tener efectos directos sobre satélites de comunicaciones o sobre el sistema GPS, por ejemplo, dejándolos fuera de servicio durante horas, además de tener el potencial de afectar a las capas altas de la atmósfera», aclara Sergio Toledo.

Y pone como ejemplo la pérdida de varios satélites de la compañía Starlink debido a una tormenta geomagnética inesperada. Ya en la superficie terrestre, las tormentas geomagnéticas pueden afectar a los tendidos eléctricos y en general a grandes estructuras metálicas como tuberías de gaseoductos en las zonas septentrionales (Canadá, Suecia, Rusia, etc.).

El grupo tiene como meta «servir de ejemplo para todos los jóvenes interesados en la astrofísica y la astronomía, que vean que es posible hacer una carrera investigadora en nuestra Región de Murcia, y brindar la oportunidad a todas esas mentes brillantes y curiosas que tenemos para que puedan llevar a cabo sus sueños», concluye el investigador.

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