Una tormenta solar desatada: la atmósfera terrestre intensificó su poder

En mayo de 2024, una extraordinaria tormenta solar iluminó los cielos de diversas regiones del mundo, incluyendo áreas donde las auroras boreales son poco comunes. Sin embargo, este espectáculo fue solo la manifestación más visible de una perturbación masiva en el espacio alrededor de la Tierra. En el interior de la magnetosfera, la vasta región controlada por el campo magnético del planeta, los científicos registraron algo que nunca habían medido directamente antes.

El evento se originó cuando una gran mancha solar liberó varias erupciones solares potentes en rápida sucesión. Nubes enormes de plasma magnetizado atravesaron el espacio y se combinaron antes de impactar la magnetosfera terrestre. La tormenta resultante generó la perturbación magnética más fuerte jamás medida en la corriente anular de la Tierra, una vasta región de partículas cargadas eléctricamente que rodea el planeta.

Durante décadas, los investigadores debatieron sobre el origen de las partículas que componen esta corriente anular. Se conocen dos fuentes principales: el viento solar, que transporta partículas cargadas desde el Sol, y la ionosfera de la Tierra, una capa de la atmósfera superior cargada eléctricamente. Ambos suelen suministrar partículas durante las tormentas geomagnéticas, y algunos científicos esperaban que el viento solar siguiera siendo un contribuyente importante en eventos extremos con vientos solares particularmente densos.

Sin embargo, las primeras mediciones directas de la composición de la corriente anular durante una tormenta de tal magnitud revelaron algo asombroso. Las partículas del viento solar contribuyeron muy poco, mientras que aquellas provenientes de la atmósfera terrestre dominaron en una medida nunca antes observada.

Los hallazgos, publicados en Science Advances, sugieren que la atmósfera de la Tierra puede desempeñar un papel mucho más significativo en la determinación de la severidad de las tormentas geomagnéticas extremas de lo que los científicos habían reconocido anteriormente. Dado que los iones dominantes de la Tierra son mucho más pesados que las partículas suministradas por el viento solar, podrían haber fortalecido la perturbación magnética y provocado que la corriente anular alcanzara su máxima intensidad inusualmente cerca del planeta.

Este descubrimiento también refuerza la justificación para una misión satelital japonesa propuesta que busca investigar cómo los partículas atmosféricas ingresan al espacio y afectan las poderosas tormentas geomagnéticas.

La tormenta, conocida como "tormenta de Gannon" o "tormenta del Día de la Madre", se desató el 10 y 11 de mayo de 2024, cuando nubes enormes de partículas solares cargadas impactaron la magnetosfera de la Tierra, desencadenando una de las tormentas geomagnéticas más potentes en décadas. Este evento empujó el índice SYM-H, una medida de la perturbación geomagnética, a un mínimo de -518 nanotesla, lo que representa la segunda mayor perturbación registrada desde 1981. La tormenta anterior de fuerza comparable ocurrió en noviembre de 2004.

Aunque las coloridas auroras atrajeron la atención mundial, las consecuencias de tales tormentas pueden ir mucho más allá del espectáculo nocturno. "Algunas tormentas geomagnéticas extremas no son solo impresionantes shows de luces, sino que representan riesgos de radiación para las naves espaciales, perturban las señales de GPS y las comunicaciones, y causan cortes de energía. Comprender cómo se desarrolla una tormenta geomagnética no es solo una cuestión científica, sino también una que tiene consecuencias en el mundo real", afirmó Naritoshi Kitamura, autor principal y profesor asistente designado del Instituto de Investigación Espacial y Ambiental de la Tierra (ISEE) de la Universidad de Nagoya.

Una fuente importante de estas perturbaciones magnéticas es la corriente anular de la Tierra. Este enorme cinturón de partículas cargadas energéticas, principalmente iones de oxígeno e hidrógeno, circula lentamente alrededor del planeta a miles de kilómetros sobre el ecuador. A medida que los iones se mueven, generan una corriente eléctrica que crea su propio campo magnético. Ese campo se opone parcialmente al campo magnético natural de la Tierra, debilitando el campo medido a nivel del suelo. Los cambios resultantes son algunas de las señales clave que los científicos utilizan para rastrear la fuerza de las tormentas geomagnéticas.

Los científicos pudieron investigar la tormenta de mayo de 2024 con un nivel de detalle inusual gracias al satélite Arase de Japón, lanzado en 2016 y operado por la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA). El centro científico ERG (Arase) es operado en conjunto por el Instituto de Ciencia Espacial y Astronáutica (ISAS)/JAXA y el Instituto de Investigación Espacial y Ambiental de la Tierra/Universidad de Nagoya.

Arase viaja a través de la región del espacio donde se forma la corriente anular de la Tierra. Sus instrumentos científicos pueden medir tanto la masa como la energía de iones individuales, permitiendo a los investigadores determinar los tipos de partículas presentes durante una tormenta. Por un extraordinario acierto, la nave espacial pasó a través de la corriente anular poco después de que comenzara la tormenta de mayo de 2024 y nuevamente a medida que la perturbación se acercaba a su pico. Estas observaciones proporcionaron una rara oportunidad para examinar la composición de la corriente anular durante un evento geomagnético excepcionalmente poderoso.

"Esta es la primera observación simultánea de iones de corriente anular y viento solar durante una tormenta de este tamaño, y los datos fueron claros: aproximadamente el 85% de los iones eran oxígeno de la propia ionosfera de la Tierra", explicó Kitamura.

La abrumadora contribución de la atmósfera terrestre fue particularmente sorprendente dado que la tormenta había sido desencadenada por densas corrientes de material provenientes del Sol. En lugar de suministrar la mayoría de los iones de la corriente anular, el viento solar desempeñó un papel relativamente menor en la población de partículas medida.

Las mediciones de Arase revelaron otra característica extraordinaria de la tormenta. El campo magnético se debilitó drásticamente en una región mucho más cercana a la Tierra de lo que se había documentado previamente en reducciones igualmente severas. "Cerca del pico de la tormenta, Arase detectó una disminución del 40% en la intensidad del campo magnético a aproximadamente 16,000 kilómetros sobre la Tierra, y mucho más cerca de la Tierra de lo que se habían documentado previamente grandes disminuciones similares".

Al mismo tiempo, el satélite detectó una disminución en el número de electrones energéticos que normalmente circulan a través de esta región del espacio. Un debilitamiento tan extremo del campo magnético puede alterar las trayectorias seguidas por estos electrones, haciendo que se desvíen de sus órbitas habituales. Sin embargo, los científicos aún no han determinado si la deformación del campo magnético causó directamente la pérdida de electrones observada. Se necesitarán más investigaciones para establecer esa conexión.

En conjunto, las observaciones proporcionan una nueva visión sobre cómo se comporta la corriente anular durante tormentas geomagnéticas especialmente intensas. También sugieren que la inusualmente gran población de iones pesados provenientes de la atmósfera de la Tierra pudo haber ayudado a producir la severa perturbación magnética tan cerca del planeta.

Los hallazgos podrían tener importantes implicaciones para la predicción del clima espacial. Los modelos actuales dependen en gran medida de las condiciones en el viento solar para estimar cuán poderosa podría llegar a ser una tormenta geomagnética que se aproxima. Sin embargo, las nuevas mediciones sugieren que las condiciones dentro de la propia atmósfera superior de la Tierra también podrían influir en la intensidad eventual de una tormenta. Comprender cuántos iones atmosféricos escapan a la magnetosfera y cómo contribuyen a la corriente anular puede ser esencial para realizar predicciones más confiables.

Los investigadores creen que observaciones satelitales adicionales podrían ayudar a responder estas preguntas. Sus hallazgos respaldan FACTORS, una misión propuesta que involucra dos satélites que se están preparando para una próxima oportunidad de propuesta de JAXA. FACTORS investigaría los procesos que permiten que iones de la atmósfera de la Tierra fluyan hacia la magnetosfera y examinaría cómo esas partículas contribuyen al desarrollo de tormentas geomagnéticas.

Al revelar cómo interactúan la atmósfera de la Tierra y el material solar entrante durante eventos extremos, la misión podría mejorar eventualmente las previsiones de clima espacial peligroso. Predicciones más precisas ayudarían a los científicos a anticipar mejor tormentas capaces de interrumpir satélites, sistemas de navegación, redes de comunicación e infraestructura energética.

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