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Cada día, las señales de radio de los principales satélites de comunicaciones y navegación viajan libremente a través de una capa de la atmósfera de la Tierra conocida como ionosfera.
Flotando entre 80 y 643 kilómetros por encima de nuestras cabezas, directamente debajo de los confines más bajos del espacio donde orbitan algunos satélites de comunicaciones, esta zona de la atmósfera superior también alberga muchos acertijos sin resolver, incluido uno con forma de alfabeto que tiene el potencial de frustrar todo lo que esas señales de radio hacen para mantener la vida en nuestro planeta funcionando sin problemas.
Los astrónomos saben desde hace tiempo que pueden aparecer formaciones con forma de cresta en forma de X en el plasma de la ionosfera (un mar de partículas cargadas) después de las tormentas solares.
Los fenómenos volcánicos y las condiciones meteorológicas extremas en la Tierra también pueden provocar este fenómeno. Las erupciones enormes, como la Erupción Hunga Tonga-Hunga Ha’apai En enero de 2022, partículas que se elevan a la atmósfera terrestre pueden llegar incluso al espacio. Las tormentas eléctricas y los huracanes pueden crear ondas de presión que llegan hasta la ionosfera.
Mientras tanto, por la noche, durante estos períodos activos, cuando la radiación del Sol no es tan fuerte, es también cuando aparecen burbujas de baja densidad en la ionosfera.
Los datos satelitales no siempre han podido capturar la imagen completa de lo que está ocurriendo en la ionosfera, pero Misión GOLD de la NASA ofrece una vista aérea de la capa atmosférica del hemisferio occidental desde el espacio, revelando cómo diferentes factores causan perturbaciones en la ionosfera.
Ahora, los astrónomos que analizaron los datos recopilados por la misión GOLD encontraron características similares con forma de X y de C nunca antes vistas que, sorprendentemente, parecen haber aparecido durante «épocas tranquilas» cuando no había perturbaciones atmosféricas, según una nueva investigación. Los hallazgos están cambiando radicalmente lo que se sabía sobre cómo podrían formarse las estructuras inusuales y sus posibles impactos.
Los datos de la misión están ayudando a los científicos a ver «cuán compleja es la atmósfera de la Tierra» al tiempo que muestran que es más variable de lo esperado, incluso cuando no hay una causa obvia detrás de las perturbaciones con forma de alfabeto en la ionosfera, dijo Jeffrey Klenzing, un científico investigador que estudia la ionosfera en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland.
“Sospecho que esto siempre ha estado sucediendo”, dijo. “Y en realidad el problema ha sido básicamente que no hemos tenido suficientes datos para ver realmente que está sucediendo”.
Obtener una mejor comprensión de los fenómenos con forma de letras puede ayudar a los científicos a desentrañar la dinámica entre la ionosfera y el clima, y cómo la interacción puede plantear riesgos para las personas y los sistemas de la Tierra.
Crestas en forma de X
La ionosfera no siempre es una capa de gas perfectamente lisa y cambia constantemente. Se electrifica cuando la luz del sol la alcanza. La radiación solar arranca electrones de los átomos y las moléculas para crear plasma que permite que las comunicaciones por radio viajen a grandes distancias.
Pero a medida que el sol se desvanece por la noche, la ionosfera se adelgaza y las partículas que alguna vez estuvieron cargadas se asientan y se convierten en partículas neutrales, según NASAEs entonces cuando pueden formarse burbujas en la ionosfera.
Las líneas del campo magnético de la Tierra también transportan partículas cargadas que flotan libremente en la atmósfera hacia dos bandas densas al norte y al sur del ecuador, conocidas como crestas.
Dadas sus diferentes densidades, las crestas y burbujas que se asemejan a diferentes formas dentro de la ionosfera pueden causar interferencias en las señales de comunicación y GPS.
La misión GOLD (Observaciones a escala global del limbo y el disco) ha estado monitoreando la ionosfera desde su lanzamiento en enero de 2018. El satélite gira alrededor de la Tierra al mismo ritmo que nuestro planeta, lo que le permite permanecer en constante vuelo sobre el hemisferio occidental.
GOLD detectó las señales más claras de las características en forma de X y C en 2019, 2020 y 2021, y en lugares inesperados. La evidencia está haciendo que los investigadores se pregunten los posibles efectos de las X y las C en las señales de comunicación en el futuro.
«La misión GOLD de la NASA es la primera en observar las formas alfabéticas sin ambigüedades», dijo Fazlul Laskar, autor principal de un estudio de abril sobre las formas X publicado en la revista Revista de investigación geofísica: Física espacial.
“Estas formas revelan que la ionosfera puede ser muy dinámica y, en ocasiones, presentar estructuras inesperadas”, añadió Laskar, investigador del Laboratorio de Física Atmosférica y Espacial de la Universidad de Colorado. “Además, demuestra que el clima atmosférico inferior podría tener un enorme impacto en la ionosfera”.
El hecho de que GOLD haya observado múltiples casos de formación de las X “durante condiciones geomagnéticas tranquilas” (en lugar de durante perturbaciones atmosféricas como tormentas solares o condiciones meteorológicas terrestres, cuando se observaban anteriormente) indica ahora a los científicos que debe haber otro mecanismo responsable de la formación de las formas, dijo Laskar. Los modelos informáticos apuntan a cambios en la atmósfera inferior que empujan el plasma hacia abajo como una posible explicación, según el estudio.
“La aparición de la X es extraña porque implica que hay factores impulsores mucho más localizados”, dijo Klenzing, quien no participó en el estudio de abril. “Esto es algo que se espera durante los eventos extremos, pero verlo durante el ‘período de calma’ sugiere que la actividad de la atmósfera inferior está impulsando significativamente la estructura ionosférica”.
Burbujas C nunca antes vistas
Por otra parte, GOLD también observó burbujas de plasma en forma de C que pueden estar influenciadas por otros factores.
Por lo general, las burbujas de plasma son largas y rectas porque se forman a lo largo de las líneas del campo magnético de la Tierra. Pero algunas de las burbujas se asemejan a formas curvas, que parecen Cs o Cs invertido, y los científicos creen que podrían haber sido moldeadas por los vientos de la Tierra.
Si bien las formas C pueden formarse si los vientos aumentan con la altitud, las formas C invertidas podrían formarse si los vientos disminuyen con la altitud, según los modelos de investigación.
“Es un poco como un árbol que crece en una zona ventosa”, dijo Klenzing. “Si los vientos soplan normalmente hacia el este, el árbol comienza a inclinarse y a crecer en esa dirección”.
Pero GOLD observó burbujas de plasma en forma de C y en forma de C invertida inusualmente cercanas entre sí, a solo unas 400 millas (644 kilómetros) de distancia, o la distancia aproximada entre Baltimore y Boston, según un estudio de noviembre de 2023 publicado en Revista de investigación geofísica: Física espacial.
“En esa proximidad, nunca se había pensado en estas dos burbujas de plasma de formas opuestas, nunca se las había fotografiado”, dijo Deepak Karan, científico investigador del Laboratorio de Física Atmosférica y Espacial de la Universidad de Colorado. Karan trabaja en la misión GOLD y es el autor principal del estudio de la forma C y coautor del estudio de la forma X.
Karan dijo que una actividad similar a un tornado, una cizalladura del viento o un vórtice podrían estar creando turbulencias en la atmósfera que causan cambios en los patrones de viento en un área tan pequeña. Pero nunca esperaron ver burbujas con estructuras tan opuestas tan cerca unas de otras.
“El hecho de que tengamos formas muy diferentes de burbujas tan juntas nos indica que la dinámica de la atmósfera es más compleja de lo que esperábamos”, dijo Klenzing.
Hasta ahora, GOLD sólo ha observado dos casos de emparejamientos cercanos, pero las burbujas en forma de C tienen el potencial de interrumpir las comunicaciones.
“Es muy importante averiguar por qué ocurre esto”, dijo Karan. “Si se ha producido un vórtice o una fuerte cizalladura en el plasma, esto distorsionará por completo el plasma en esa región. Las señales se perderán por completo con una fuerte perturbación como esta”.
Karan dijo que estos vórtices, que pueden durar horas, se parecen a los tornados que ocurren en la atmósfera inferior de la Tierra, pero el enigma que los científicos parecen no poder resolver es cómo se forman las estructuras en la ionosfera durante el «tiempo de tranquilidad».
“Descifrar el misterio de estas formaciones de burbujas de plasma no es sólo una curiosidad científica, sino también de importancia práctica para mitigar los efectos adversos sobre los sistemas de comunicación y navegación”, afirmó.
Karan afirmó que los intentos de comprender cómo se forman las burbujas tan juntas con las herramientas de modelado actuales no han tenido éxito. Su esperanza es que al publicar la investigación e incluir todos los mecanismos de formación posibles, la comunidad científica pueda unirse para resolver el misterio.
Un tesoro de datos
La misión GOLD es muy adecuada para captar características inesperadas en la ionosfera debido a su órbita. Mientras que las misiones satelitales anteriores solo podían capturar una pequeña parte de un evento en una dimensión, GOLD puede tomar múltiples imágenes de un evento en el transcurso de horas, dijo Laskar. Y espera que en el futuro se revelen características aún más sorprendentes en los datos de GOLD.
“Gracias a una visión tan amplia y a las mediciones continuas, GOLD nos ha permitido observar estos misterios dentro de la ionosfera”, afirmó Karan.
Dijo que hay muchas preguntas que siguen sin respuesta sobre esta capa atmosférica, como por ejemplo cómo los cambios en la atmósfera inferior y la actividad solar influyen en el movimiento de las partículas cargadas en la ionosfera.
Dado que las tormentas solares podrían aumentar debido a que el sol se acerca al pico de su ciclo de 11 años, llamado Máximo solarLos astrónomos también quieren comprender mejor cómo cambia la composición de la ionosfera durante los eventos, porque las oleadas repentinas de partículas cargadas pueden aumentar la resistencia de los satélites y acortar su vida útil, dijo Karan.
Las corrientes eléctricas también fluyen en la ionosfera, y un aumento de la corriente eléctrica durante las tormentas solares puede dañar las líneas de transmisión y los transformadores de tierra en la Tierra, dijo.
Durante la tormenta geomagnética del 10 de mayo que azotó la Tierra, la empresa de tractores John Deere informó que algunos clientes dependen del GPS para la agricultura de precisión experimentó una interrupción.
“El mayor impacto en la industria agrícola se centró en los sistemas de guía GPS”, dijo Tim Marquis, gerente de productos senior de John Deere, en un comunicado. “Los receptores GPS funcionan cuando se recibe una señal a intervalos regulares, como el ritmo de un metrónomo, desde un satélite en órbita. Durante las tormentas solares, esa señal choca con una ‘niebla’ de partículas cargadas y puede perderse. Y las máquinas no pueden saber con precisión dónde están gracias a esta interferencia”.
Los resultados pendientes de los estudios de los datos GOLD durante la tormenta geomagnética del 10 de mayo podrían ayudar a los astrónomos en el desarrollo de un sistema de pronóstico del clima espacial, dijo Laskar.
“Una de las cosas que necesitamos es un sistema de predicción del clima espacial que pueda decirnos cuándo vamos a tener problemas con las señales GPS y cuándo será necesario ajustar las órbitas de los satélites para evitar colisiones catastróficas”, dijo.
Perder la señal GPS en la Tierra no solo es molesto para quienes intentan encontrar un lugar en el que nunca han estado. Las señales de navegación también se utilizan ampliamente en el transporte marítimo, la agricultura y la construcción.
Cuando las burbujas, crestas o tormentas solares interrumpen la distribución del plasma en la ionosfera, las señales de radio que pasan a través de la capa atmosférica pueden modificarse, perderse o desvanecerse, dijo Karan.
“Podría haber consecuencias potencialmente mortales debido a la pérdida repentina de señales GPS en aviones, barcos y automóviles, algo que da miedo incluso imaginar”, dijo.
GOLD y los conceptos de misiones futuras podrían ayudar a los científicos a comprender mejor los fenómenos que se esconden detrás de estas características X y C observadas recientemente, e incluso tal vez predecir dichos cambios antes de que ocurran en la ionosfera.
“Uno de los desafíos para los investigadores ionosféricos es poder predecir su dinámica con antelación”, dijo Laskar, “para que podamos estar preparados para la pérdida de señal GPS y las interrupciones en las comunicaciones satelitales”.
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