Los científicos descubren el esquivo campo "eléctrico global" largamente buscado en la Tierra

Hace más de 60 años, los científicos plantearon por primera vez la hipótesis de que este campo eléctrico ambipolar que impulsaba el escape atmosférico de la atmósfera por encima de los polos norte y sur de la Tierra.

Un campo eléctrico terrestre, global y esquivo hasta ahora

Las mediciones realizadas desde el cohete Endurance de la NASA han confirmado la existencia del campo ambipolar y cuantificado su fuerza, revelando su papel en el escape atmosférico y la conformación de nuestra ionosfera (una capa de la atmósfera superior) en términos más generales.

Comprender los complejos movimientos y la evolución de la atmósfera de nuestro planeta proporciona pistas no solo sobre la historia de la Tierra, sino que también nos permite comprender los misterios de otros planetas y determinar cuáles podrían albergar vida. Un artículo de investigación sobre este tema se ha publicado en la revista Nature.

Crédito del video: Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA/Lacey Young

Un campo eléctrico que lleva partículas al espacio: viento polar

Desde finales de los años 60, las naves espaciales que sobrevuelan los polos de la Tierra han detectado una corriente de partículas que fluye desde nuestra atmósfera hacia el espacio. Los teóricos predijeron esta corriente, a la que llamaron "viento polar", lo que alentó la investigación para comprender sus causas.

Se esperaba que se produjera algún flujo de salida de nuestra atmósfera. La luz solar intensa y sin filtrar debería hacer que algunas partículas de nuestro aire escaparan al espacio, como el vapor que se evapora de una olla con agua. Pero el viento polar observado era más misterioso. Muchas de las partículas que contenía eran frías, sin signos de haber sido calentadas, pero viajaban a velocidades supersónicas .

"Algo tenía que estar extrayendo estas partículas de la atmósfera", dijo Glyn Collinson, investigador principal del Endurance en el Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, y autor principal del artículo. Los científicos sospechaban que un campo eléctrico aún por descubrir podría estar en acción.

Se esperaba que el hipotético campo eléctrico, generado a escala subatómica, fuera increíblemente débil y que sus efectos se sintieran solo a cientos de kilómetros de distancia. Durante décadas, detectarlo estaba más allá de los límites de la tecnología existente. En 2016, Collinson y su equipo se pusieron a trabajar en la invención de un nuevo instrumento que creían que estaba a la altura de la tarea de medir el campo ambipolar de la Tierra.

Lanzamiento de un cohete especial desde el Ártico para detectar el viento polar

Los instrumentos y las ideas del equipo eran los más adecuados para un vuelo suborbital con cohetes lanzados desde el Ártico. En un guiño al barco que llevó a Ernest Shackleton en su famoso viaje de 1914 a la Antártida, el equipo bautizó su misión como Endurance. Los científicos fijaron el rumbo hacia Svalbard, un archipiélago noruego situado a tan solo unos cientos de kilómetros del Polo Norte y que alberga el campo de lanzamiento de cohetes más septentrional del mundo.

"Svalbard es el único campo de cohetes del mundo donde se puede volar a través del viento polar y realizar las mediciones que necesitábamos", dijo Suzie Imber, física espacial de la Universidad de Leicester, Reino Unido, y coautora del artículo.

El 11 de mayo de 2022, el Endurance despegó y alcanzó una altitud de 768,03 kilómetros, para amerizar 19 minutos después en el mar de Groenlandia. En el rango de altitud de 518 kilómetros donde recopiló datos, el Endurance midió un cambio en el potencial eléctrico de solo 0,55 voltios.

"Medio voltio no es casi nada, es tan potente como la pila de un reloj", dijo Collinson. "Pero es la cantidad justa para explicar el viento polar".

Los iones de hidrógeno, el tipo de partícula más abundante en el viento polar, experimentan una fuerza hacia afuera de este campo 10,6 veces más fuerte que la gravedad.

"Eso es más que suficiente para contrarrestar la gravedad; de hecho, es suficiente para lanzarlos al espacio a velocidades supersónicas", dijo Alex Glocer, científico del proyecto Endurance en el Centro Goddard de la NASA y coautor del artículo.

Las partículas más pesadas también reciben un impulso. Los iones de oxígeno a esa misma altitud, inmersos en este campo de medio voltio, pesan la mitad. En general, el equipo descubrió que el campo ambipolar aumenta lo que se conoce como la "altura de escala" de la ionosfera en un 271%, lo que significa que la ionosfera sigue siendo más densa a mayores alturas de lo que sería sin él.

"Es como una cinta transportadora que eleva la atmósfera hacia el espacio", añadió Collinson.

El descubrimiento de Endurance ha abierto muchos nuevos caminos para la exploración. El campo ambipolar, como campo energético fundamental de nuestro planeta junto con la gravedad y el magnetismo, puede haber moldeado continuamente la evolución de nuestra atmósfera de maneras que ahora podemos comenzar a explorar. Debido a que es creado por la dinámica interna de una atmósfera, se espera que existan campos eléctricos similares en otros planetas, incluidos Venus y Marte.

"Cualquier planeta con atmósfera debería tener un campo ambipolar", dijo Collinson. "Ahora que finalmente lo hemos medido, podemos comenzar a aprender cómo ha moldeado nuestro planeta y otros a lo largo del tiempo".

Referencia

Glyn A. Collinson et al, Earth's ambipolar electrostatic field and its role in ion escape to space, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07480-3