¿Cómo que en la ionosfera hay una sopa de letras?

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La misión Global-scale Observations of the Limb and Disk (GOLD) de la NASA ha revelado formaciones inesperadas en forma de C y X en una capa electrificada de gas muy por encima de nuestras cabezas llamada ionosfera que tendrían alto impacto en la vida altamente tecnologizada de nuestra época.

Si bien estas ‘formas alfabéticas’ han sido observadas previamente antes, GOLD las ve con más claridad que otros instrumentos y las ha hallado donde y cuando menos los científicos lo esperaban. Sus apariciones sorpresivas demuestran que tenemos más que aprender sobre la ionosfera y sus efectos en las señales de comunicación y navegación que pasan a través de ella.

La interfaz dinámica de la Tierra con el espacio
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Extendiéndose entre 80 y 643 kilómetros por encima de nuestras cabezas, la ionosfera se carga eléctricamente durante el día, cuando la luz del sol incide en nuestro planeta y su energía elimina los electrones de los átomos y moléculas. Esto crea una sopa de partículas cargadas, conocida como plasma, que permite que las señales de radio viajen largas distancias.

Cerca del ecuador magnético de la Tierra, las partículas cargadas se canalizan hacia arriba y hacia afuera a lo largo de las líneas del campo magnético, creando dos densas bandas de partículas al norte y al sur del ecuador que los científicos llaman crestas. A medida que cae la noche y la energía del Sol se desvanece, se pueden formar bolsas de baja densidad en el plasma, llamadas burbujas, en la ionosfera. Debido a su densidad variable, las crestas y burbujas pueden interferir con las señales de radio y GPS.

Bajo la influencia combinada de la gravedad y los campos eléctricos y magnéticos de la Tierra, las partículas cargadas en la ionosfera fluyen hacia arriba y hacia afuera lejos del ecuador magnético de la Tierra, formando dos bandas densas, o crestas, al norte y al sur del ecuador. Crédito: Estudio de Visualización Científica de la NASA

Mientras que las observaciones anteriores proporcionaron breves destellos de crestas y burbujas en la ionosfera, GOLD monitorea estas características durante largos períodos de tiempo. Eso es gracias a su órbita geoestacionaria, que gira alrededor de nuestro planeta a la misma velocidad que gira la Tierra, lo que permite que GOLD se cierna sobre el hemisferio occidental.

Crestas inesperadas en forma de X en condiciones tranquilas
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La ionosfera es sensible a las perturbaciones tanto del clima espacial como terrestre. GOLD ha revelado previamente que después de una tormenta solar o una gran erupción volcánica, las crestas de la ionosfera pueden fusionarse para formar una X. Pero ahora, GOLD ha visto una forma de X en múltiples ocasiones cuando no hubo tales perturbaciones, lo que los científicos denominan “tiempo de silencio”.

“Los informes anteriores de fusión fueron sólo durante condiciones geomagnéticamente perturbadas, es una característica inesperada durante las condiciones de tranquilidad geomagnética”, dijo Fazlul Laskar, del Laboratorio de Física Atmosférica y Espacial (LASP, siglas en inglés por Laboratory for Atmospheric and Space Physics) de la Universidad de Colorado, quien es el autor principal de un artículo sobre este descubrimiento publicado en abril de 2024 por el Journal of Geophysical Research: Space Physics.

Las observaciones de la misión GOLD de la NASA muestran partículas cargadas en la ionosfera formando una X el 7 de octubre de 2019. (Los colores indican la intensidad de la luz ultravioleta emitida, mientras que el amarillo y el blanco indican la emisión más fuerte o la densidad ionosférica más alta). Crédito de la imagen: F. Laskar et al..

Estas apariciones inesperadas les dicen a los científicos que algo más debe estar involucrado en la formación de estas formas de X. Los modelos informáticos sugieren que la X podría desarrollarse cuando los cambios en la atmósfera inferior tiran del plasma hacia abajo.

“La X es extraña porque implica que hay factores impulsores mucho más localizados”, dijo Jeffrey Klenzing, científico del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, que estudia la ionosfera. “Esto se espera durante los eventos extremos, pero verlo durante el ’tiempo de calma’ sugiere que la actividad de la atmósfera inferior está impulsando significativamente la estructura ionosférica”.

Esta visualización muestra una característica brillante y horizontal en forma de X en la anomalía de ionización ecuatorial, que apareció en la ionosfera el 7 de octubre de 2019, entre las 22:10 y las 00:00 UTC, según lo observado por la misión GOLD de la NASA. Cada una de las observaciones de GOLD cubre unos 45 grados de longitud y procede de este a oeste, alternando entre los hemisferios norte y sur. Rayleigh es una unidad para medir la cantidad de luz (en este caso, luz ultravioleta). Crédito: Estudio de Visualización Científica de la NASA

Las partículas cargadas en la atmósfera superior de la Tierra se forman cuando la radiación ultravioleta del Sol ioniza átomos y moléculas en la atmósfera al eliminar electrones. En combinación con el campo geomagnético intrínseco de la Tierra, la interacción electromagnética de este plasma ionizado puede formar estructuras a gran escala, como la anomalía de ionización ecuatorial (Interface to Space: The Equatorial Fountain). La atmósfera superior, una vez energizada por la exposición a la luz ultravioleta durante el día, puede volver a emitir parte de esta energía después de la puesta del sol. Otros eventos, como las tormentas geomagnéticas que aplican fuerzas desde arriba y el clima terrestre que aplica fuerzas desde abajo, pueden impulsar variaciones de menor escala dentro de la ionosfera. Esto puede dar lugar a la formación de “burbujas” de menor emisión ultravioleta y características “X” representadas aquí. Si bien estas características se han observado antes, la misión Observaciones a escala global de la extremidad y el disco (GOLD) de la NASA ha proporcionado una cobertura más completa de estas regiones, lo que nos permite ver más variaciones. Esto es importante porque las variaciones en la ionosfera afectan a las señales que viajan entre la tierra y los satélites, como las comunicaciones por radio y los sistemas de posicionamiento global. Un ‘Rayleigh’ es una unidad de medida adecuada para intensidades de luz bajas, como el cielo nocturno y la aurora.

Las burbujas en forma de C apuntan a una fuerte turbulencia
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GOLD también encontró sorprendentes burbujas de plasma en forma de C que apuntan a otras dinámicas desconcertantes que influyen en la ionosfera.

Comparación de las burbujas de plasma. Crédito de la imagen: Captura del vídeo realizado por NASA’s Scientific Visualization Studio.

La mayoría de las burbujas de plasma parecen largas y rectas, formándose a lo largo de las líneas del campo magnético. Pero algunas burbujas están curvadas en forma de C y formas de C invertida, que los científicos creen que están formadas por los vientos terrestres. Los modelos informáticos sugieren que habrá forma de C si los vientos aumentan con la altitud en el ecuador magnético y una C inversa, o paréntesis, si los vientos disminuyen con la altitud.

“Es un poco como un árbol que crece en una zona ventosa”, explicó Klenzing. “Si los vientos son típicamente del este, el árbol comienza a inclinarse y crecer en esa dirección”.

En un artículo publicado en noviembre de 2023 en el Journal of Geophysical Research: Space Physics, el científico de LASP, Deepak Karan y sus colegas informaron de que GOLD observó burbujas de plasma en forma de C y C inversa que aparecen sorprendentemente juntas, tan cerca como a unos 643 kilómetros de distancia (aproximadamente la distancia entre Baltimore y Boston).

“Dentro de esa proximidad, estas dos burbujas de plasma de forma opuesta nunca habían sido pensadas, nunca habían sido fotografiadas”, dijo Karan. Para que los patrones de viento cambien de curso en un área tan pequeña, Karan cree que es probable que haya algún tipo de turbulencia fuerte, como un vórtice, cizalladura del viento o actividad similar a un tornado, en la atmósfera.

“El hecho de que tengamos formas muy diferentes de burbujas tan juntas nos dice que la dinámica de la atmósfera es más compleja de lo que esperábamos”, dijo Klenzing.

Tales emparejamientos cercanos parecen ser raros, con sólo dos casos registrados por GOLD hasta ahora. Sin embargo, debido a que estas características pueden interrumpir las tecnologías críticas de comunicación y navegación, “es realmente importante averiguar por qué está sucediendo esto”, dijo Karan. “Si se ha producido un vórtice o un cizallamiento muy fuerte en el plasma, esto distorsionará completamente el plasma sobre esa región. Las señales se perderán por completo con una perturbación fuerte como esta”.

Burbujas de plasma en forma de C y en forma de C invertida que aparecieron juntas en la ionosfera terrestre

Esta imagen muestra burbujas de plasma en forma de C y en forma de C invertida que aparecieron juntas en la ionosfera el 12 de octubre de 2020 y el 26 de diciembre de 2021, según lo observado por la misión GOLD de la NASA. Las burbujas aparecen como características verticales de color azul oscuro que se extienden entre dos crestas brillantes (densas). Crédito de la imagen: NASA’s Scientific Visualization Studio

Los científicos esperan que las observaciones continuas de GOLD, combinadas con las de otras misiones heliofísicas, puedan ayudar a desentrañar estos misterios de la ionosfera y sus efectos en nuestras vidas.

Importante
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El artículo Alphabet Soup: NASA’s GOLD Finds Surprising C, X Shapes in Atmosphere, publicado por la NASA, tiene la firma de Vanessa Thomas, de NASA’s Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Md.. Many thanks Vanessa!
Los autores del estudio Unique Combinations of Differently Shaped Equatorial Plasma Bubbles Occurring Within a Small Longitude Range, son: Deepak Kumar Karan, Richard W. Eastes, Carlos R. Martinis, Robert E. Daniell, Stanley C. Solomon, William E. McClintock.