Un ícono de la NASA descubrió que los fuertes vientos activan los campos eléctricos en la atmósfera superior

Crédito: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA

Lo que sucede en el suelo no se queda en el suelo.


Utilizando observaciones de la misión ICON de la NASA, los científicos han proporcionado las primeras mediciones directas de la dínamo larga teórica de la Tierra en el borde del espacio: Viento-Muévelo generador que se extiende por todo el mundo a más de 60 millas sobre nuestras cabezas. Dinamo ionosfera, el límite con carga eléctrica entre la Tierra y el espacio. Está impulsado por vientos de marea en atmósfera superior Que son más rápidos que la mayoría de los huracanes y se elevan desde el fondo Atmósfera, creando un entorno eléctrico que podría afectar a los satélites y la tecnología en la Tierra.

Nuevo trabajo, publicado hoy en ciencias naturales de la tierra, mejora nuestra comprensión de la ionosfera, ayudando a los científicos a predecir mejor el clima espacial y a proteger nuestra tecnología de sus efectos.

Lanzado en 2019, ICON, abreviatura de Ionospheric Connection Explorer, tiene la tarea de desvincular la forma en que el clima de la Tierra interactúa con el clima en el espacio. Las señales de radio y GPS viajan a través de la ionosfera, que alberga la aurora boreal y la Estación Espacial Internacional. Los bolsillos vacíos o las protuberancias densas de partículas cargadas eléctricamente pueden interrumpir estas señales.

Los científicos que estudian la atmósfera y el clima espacial han incluido durante mucho tiempo la dínamo de la Tierra en sus modelos porque sabían que tenía efectos importantes. Pero con tan poca información, tuvieron que hacer algunas suposiciones sobre cómo funcionaría. Los datos de ICON son la primera observación concreta de los vientos que alimentan la dínamo y, en última instancia, afectan el clima espacial para alimentar esos modelos.

“El primer año de ICON en el espacio mostró que predecir estos vientos es clave para mejorar nuestra capacidad de predecir lo que sucede en la ionosfera”, dijo Thomas Emile, investigador principal de ICON en la Universidad de California, Berkeley, y autor principal del nuevo estudio.

En la ionosfera, los vientos ascendentes tienden a empujar partículas cargadas más gruesas que pequeños electrones cargados negativamente. Esta separación de iones y electrones crea un campo eléctrico en la región de la dínamo, cerca del fondo de la ionosfera. Crédito: Laboratorio de conceptos de animación de la NASA

El nacimiento del cielo a la Tierra

La ionosfera es como un mar de partículas cargadas eléctricamente, creado por el Sol y mezclándose con la atmósfera superior neutra. Ubicada entre la Tierra y el espacio, la ionosfera responde a los cambios tanto del Sol arriba como de la Tierra abajo. Cuánta influencia proviene de cada lado es lo que los investigadores están interesados ​​en descubrir. Al estudiar los datos de ICON durante un año, los investigadores encontraron que gran parte del cambio que observaron se originó en la atmósfera inferior.

Los generadores funcionan moviendo repetidamente un conductor eléctrico, como un cable de cobre, a través de un campo magnético. Llena de gases cargados eléctricamente llamados plasma, la ionosfera actúa como un cable, o más bien, una maraña de cables: la electricidad fluye a través de ella. Al igual que la dínamo en el núcleo de la Tierra, las dínamos en la atmósfera producen campos electromagnéticos de movimiento.

Los fuertes vientos en la termosfera, una capa de la atmósfera superior conocida por las altas temperaturas, empujan el plasma portador de corriente en la ionosfera a través de líneas invisibles de campo magnético que orbitan la Tierra como cebollas. El viento tiende a comprimir partículas gruesas con carga positiva más que pequeños electrones con carga negativa. “Los aspectos positivos se mueven de manera diferente a los negativos”, dijo el coautor Brian Harding, físico de la Universidad de California en Berkeley. “Esto es una corriente eléctrica”.

En la mayoría de los generadores, estos componentes están conectados tan estrechamente que permanecen en su lugar y funcionan de manera predecible. Pero la ionosfera es libre de moverse como le plazca. “La corriente genera su propio campo magnético, que combate el campo magnético de la Tierra a su paso”, dijo Emil. “Así que terminas con un cable tratando de alejarte de ti. Es un generador desordenado”.

Esta visualización de datos muestra la nave espacial con el símbolo en órbita alrededor de la Tierra. Las flechas verdes muestran los fuertes vientos a gran altitud, conocidos como mareas atmosféricas, detectados por el generador de imágenes de viento MIGHTI de ICON. Estos vientos no son uniformes y pueden verse alterados por cambios en la atmósfera a baja altura. Esto, a su vez, altera el movimiento de partículas elevadas en la ionosfera. ICON detectó cambios en el plasma a 370 millas sobre la superficie de la Tierra, como se muestra en rojo. Las líneas del campo magnético aparecen de color púrpura y se vuelven amarillas a medida que las mediciones del viento detectadas por MIGHTI (flechas verdes) afectan la dirección del plasma (flechas rojas). Crédito: Estudio de visualización científica de la NASA / William T.Bridgeman

Seguir los caprichos de la ionosfera es clave para predecir los efectos potenciales del clima espacial. Dependiendo de la dirección en la que sople el viento, el plasma de la ionosfera se lanza al espacio o se desploma hacia la Tierra. Este comportamiento es el resultado de un tira y afloja entre la ionosfera y los campos electromagnéticos de la Tierra.

La dínamo, que se encuentra en el extremo inferior de la ionosfera, ha sido un misterio durante mucho tiempo porque es difícil de observar. Tan alto para las aeronaves científicas y tan bajo para los satélites, han eludido muchas de las herramientas que tienen los investigadores para estudiar el espacio cercano a la Tierra. ICON está especialmente equipado para examinar esta parte de la ionosfera desde arriba aprovechando el brillo natural de la atmósfera superior para detectar el movimiento del plasma.

ICON monitorea los vientos fuertes y el plasma migratorio al mismo tiempo. “Esta fue la primera vez que pudimos cuantificar la contribución del viento al comportamiento de la ionosfera, sin ninguna suposición”, dijo Astrid Maut, otra coautora del estudio y científica de ICON en el Centro Nacional de Investigación Atmosférica en Boulder, Colorado. .

Es solo en la última década, dijo Emile, que los científicos se han dado cuenta de lo diferentes que son estos vientos crecientes. “No se esperaba que la atmósfera superior cambiara tan rápidamente”, dijo. “Pero lo hace día tras día. Descubrimos que todo se debe a cambios en la atmósfera inferior”.

Los ciclos diarios de formación de nubes llevan energía a la atmósfera, lo que a su vez crea un ciclo diario de calentamiento y enfriamiento. El calentamiento y el enfriamiento empujan los patrones de viento hacia afuera y hacia las áreas donde se forman las nubes. Estos vientos eventualmente forman un maremoto atmosférico que se esparce por la atmósfera. Crédito: Laboratorio de conceptos de animación de la NASA

fuerza del viento

Es común que los vientos rocen la superficie de la Tierra, desde suaves brisas hasta tormentas que soplan en una dirección y luego en la otra.

Los vientos de las tierras altas son una bestia diferente. De 60 a 95 millas sobre la superficie de la Tierra, en la termosfera inferior, los vientos pueden soplar en la misma dirección a la misma velocidad (alrededor de 250 millas por hora) durante unas horas seguidas antes de retroceder repentinamente en esa dirección. (A modo de comparación, los huracanes de categoría 5 más fuertes soplan a 157 mph o más).

Estos cambios dramáticos son el resultado de ondas de aire, llamadas mareas, generadas en la superficie de la Tierra cuando la atmósfera inferior se calienta durante el día y luego se enfría durante la noche. Se elevan en el cielo a diario, llevando cambios desde abajo.

Cuanto más se aleja la atmósfera de la superficie, más delgada y menos turbulenta se vuelve, interrumpiendo estos movimientos. Esto significa que las mareas pequeñas generadas cerca de la superficie pueden crecer más cuando llegan a la atmósfera superior. “Los cambios en los vientos allí están controlados principalmente por lo que sucede debajo”, dijo Harding.

Las mareas atmosféricas creadas por la selva tropical forman un patrón de mareas con tres picos principales que se extienden por todo el mundo. Estos se mueven alrededor de la Tierra a medida que gira. Crédito: Laboratorio de conceptos de animación de la NASA

Las nuevas mediciones del viento de ICON están ayudando a los científicos a comprender los patrones de las mareas y sus efectos en todo el mundo.

Las mareas fluyen por el cielo, haciéndose más fuertes y creciendo antes de atravesar la ionosfera. La dínamo eléctrica emite un pitido en respuesta.

Los científicos analizaron el primer año de los datos de ICON y encontraron que los vientos de gran altitud afectan fuertemente la ionosfera. “Seguimos el patrón de cómo se movía la ionosfera, y había una estructura en forma de onda”, dijo Harding. Explicó que los cambios en el viento son directamente consistentes con la danza del plasma a 370 millas sobre la superficie de la Tierra.

“La mitad del movimiento del plasma se puede atribuir a los vientos que observamos allí en la misma línea de campo magnético”, dijo Emile. “Eso te dice que es una observación importante que debes hacer si quieres predecir lo que hace el plasma”.

El primer año de observaciones de ICON coincidió con el Mínimo Solar, la fase de reposo del ciclo de actividad de 11 años del Sol. Durante este tiempo, el comportamiento del Sol fue un zumbido bajo constante. “Sabemos que el Sol no hace mucho, pero vimos mucho contraste desde abajo, y luego cambios muy notables en la ionosfera”, dijo Emil. Eso les dijo a los investigadores que podían descartar al sol como la principal influencia.

A 60-95 millas sobre la superficie de la Tierra, los vientos asociados con las mareas atmosféricas (flechas blancas) mueven los iones y los separan de los electrones, formando un campo eléctrico (línea azul) en la región de la dinamo. El campo eléctrico atraviesa la atmósfera superior y empuja el plasma (rosa) hacia arriba y hacia abajo como una fuente. Crédito: Laboratorio de conceptos de animación de la NASA

A medida que el Sol avanza hacia su fase activa, los científicos podrán estudiar cambios más complejos y las interacciones entre ellos. espacio Atmósfera terrestre.

Emile dijo que estaba emocionado de obtener esta confirmación de las antiguas teorías ionosféricas. “Encontramos la mitad de las razones por las que la ionosfera se comporta como lo hace allí en los datos”, dijo. “Eso es lo que queríamos saber”.

Sin embargo, dijo Maut, “esto deja espacio para explorar otras cosas que contribuyen al comportamiento de la ionosfera”.


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más información:
DOI: www.nature.com/articles/s41561-021-00848-4 Thomas J. Mel et al, Regulación de las velocidades del plasma ionosférico por vientos termosféricos, ciencias naturales de la tierra (2021). DOI: 10.1038 / s41561-021-00848-4

La frase: Los fuertes vientos suministran campos eléctricos en la atmósfera superior, icono de la NASA encontrado (2021, 30 de noviembre) Recuperado el 30 de noviembre de 2021 de https://phys.org/news/2021-11-strong-power-electric-fields-upper. html

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