Los científicos acaban de descubrir por qué la atmósfera de la Tierra tiene fugas

Primero vino el sorprendente descubrimiento de que la atmósfera de la Tierra estaba perdiendo gases. Pero durante aproximadamente 60 años, la razón seguía siendo un misterio.

Desde finales de la década de 1960, los satélites sobre los polos detectaron un flujo extremadamente rápido de partículas que escapaban al espacio - a velocidades de 20 kilómetros por segundo. Los científicos sospechaban que la gravedad y el campo magnético por sí solos no podían explicar completamente el flujo. Tenía que haber otra fuente que creara esta fuga.

Resulta que la fuerza misteriosa es un campo eléctrico global previamente desconocido, según un estudio reciente. El campo tiene solo aproximadamente la fuerza de una pila de reloj, pero es suficiente para impulsar los iones más ligeros de nuestra atmósfera al espacio. También se genera de forma diferente a otros campos eléctricos en la Tierra.

Este aspecto recién descubierto de nuestro planeta proporciona pistas sobre la evolución de nuestra atmósfera, quizás explicando por qué la Tierra es habitable.

El campo eléctrico es “un agente del caos”, dijo Glyn Collinson, científico de cohetes de la NASA y autor principal del estudio. “Deshace la gravedad... Sin él, la Tierra sería muy diferente”.

El campo eléctrico recién descubierto es tan fundamental para la Tierra como la gravedad, dijeron los autores, pero no fue fácil de detectar.

Nuestro sol puede calentar y energizar algunas partículas lo suficiente como para escapar al espacio, según la NASA. Pero las naves espaciales que observan una salida de partículas en los polos, llamada viento polar, mostraron que muchos iones se movían extremadamente rápidos pero fríos. La misión Cluster de la Agencia Espacial Europea midió alrededor de 90 toneladas de material que escapa cada día, en su mayoría iones ligeros de hidrógeno.

Matemáticamente, los científicos han teorizado durante mucho tiempo que un pequeño campo eléctrico podría proporcionar suficiente energía para transportar hidrógeno fuera de nuestra atmósfera. Pero probablemente se generaría a una escala subatómica y sería increíblemente débil. Además, necesitaría ser detectado a lo largo de cientos de kilometros.

“Se pensaba que era imposible de medir. Es tan débil”, manifestó Collinson. De hecho, Collinson y sus colegas tuvieron que inventar un instrumento, un espectrómetro de fotoelectrones, para medir el débil campo.

Viajando en bote durante 17 horas, el equipo se dirigió a un lugar llamado Svalbard y lanzó un pequeño cohete, llamado Endurance, en honor al famoso barco antártico de la década de 1910, para volar brevemente al espacio y recopilar datos en tiempo real con el nuevo instrumento. Svalbard, un archipiélago entre Noruega y el Polo Norte, fue un lugar ideal porque los científicos de cohetes pueden lanzar directamente al viento polar.

El espectrómetro del cohete registró un pequeño cambio de 0,55 voltios a 767 kilómetros de altura. Medio voltio parece poco, pero puede lanzar un átomo ligero al espacio. Para un átomo de hidrógeno, la atracción ascendente de este campo eléctrico es 10,6 veces más fuerte que la gravedad que tira hacia abajo, declaró Alex Glocer, físico de la NASA y coautor del estudio.

Las partículas más pesadas también se elevan, pero la fuerza no es suficiente para enviarlas completamente al espacio por sí mismas. Glocer dijo que los átomos de oxígeno más pesados necesitan mucho más impulso, alrededor de 10 electronvoltios de energía, para elevarse al espacio. Pero este campo eléctrico “preparara la bomba” y eleva los átomos de oxígeno más alto en la atmósfera, donde otros procesos pueden terminar catapultándolos al espacio.

“Lo más sorprendente es lo pequeño que es el campo mientras todavía puede impulsar estos procesos globales”, señaló Derek Schaeffer, profesor de física de plasma en la Universidad de California, Los Ángeles, que no participó en el estudio.

El físico espacial Philippe Escoubet, tampoco involucrado en el estudio, dijo que “estos son resultados fantásticos” y muestran grandes avances en la tecnología moderna para medir campos eléctricos tan pequeños con alta resolución.

La Tierra tiene muchos campos eléctricos, pero el recién descubierto es “diferente a cualquier campo eléctrico que hayas encontrado en tu vida diaria”, dijo Collinson.

Se llama campo ambipolar y comienza alrededor de 240 kilómetros sobre nosotros, explicó. El sol brilla sobre un átomo y rompe un electrón, separando el electrón negativo y el ion positivo, aunque siguen atrayéndose entre sí.

Los electrones son ligeros y escaparían felizmente al espacio por sí mismos, pero la gravedad tira más fuerte del ion positivo más pesado, comentó Collinson. El electrón intenta alejarse, pero se forma una fuerza eléctrica entre los dos para evitar la separación, como un perro tirando de una correa. Este campo eléctrico está tirando en ambas direcciones, o es ambipolar, explicó la NASA.

Collinson dijo que “todas esas pequeñas, pequeñas, pequeñas correas eléctricas” suman este potencial de medio voltio en el fondo. El efecto neto del campo eléctrico eleva los iones para escapar al espacio como parte del viento solar.

A medida que las partículas se elevan de nuestra atmósfera, algunas toman un viaje de ida al espacio. Otras encuentran su camino de regreso.

Los modelos muestran que nuestro campo magnético puede atrapar estas partículas y empujarlas de vuelta hacia la Tierra, dijo Escoubet. Por ejemplo, las partículas pueden llover a través de las exhibiciones de las luces del norte.

“Algunas de las partículas regresan, pero no sabemos exactamente cuál es la proporción que regresa”, dijo Escoubet. “Esto es más difícil de medir”.

Otras veces, pueden permanecer en la burbuja protectora de la Tierra llamada magnetosfera, donde podrían afectar las tormentas entrantes del sol, dijo. Los iones de hidrógeno adicionales, por ejemplo, podrían amortiguar los efectos de una tormenta solar que interactúa con la Tierra. Eso sería una buena noticia para nuestros sistemas de energía en la superficie que pueden ser sacudidos por la afluencia de partículas solares, pero también podría disminuir las vistas de la aurora boreal.

“Conocer exactamente cómo es ese campo es importante para simular correctamente estos procesos en las computadoras, lo que a su vez es una de las formas clave que tenemos para predecir el clima espacial”, dijo Schaeffer.

Si pierdes demasiadas partículas, podría afectar a la Tierra de otras maneras, como se ve en otros planetas. Las 90 toneladas de material que escapan de la atmósfera superior de la Tierra cada día al espacio no son muchas, pero pueden acumularse con el tiempo, destacó Escoubet, el gerente de la misión Cluster que estudió el viento polar.

Por ejemplo, el Marte una vez próspero, ahora tiene una atmósfera delgada y no sostiene vida, según sabemos. Se espera que cualquier planeta o luna con una atmósfera tenga este campo eléctrico ambipolar, lo que podría dar pistas sobre la evolución de un planeta.

La Tierra puede no estar en peligro de perder su atmósfera en nuestras vidas, pero Collinson dijo que el descubrimiento podría ayudarnos a entender qué hace posible la vida en nuestro planeta.

“Indudablemente, ha tenido un impacto en la evolución de nuestra atmósfera, pero no puedo decirte cuál es aún”, dijo. “Solo queremos la respuesta ahora, pero acabamos de descubrirlo”.

(*) The Washington Post

(*) Kasha Patel escribe la columna semanal Hidden Planet, que cubre temas científicos relacionados con la Tierra, desde nuestro núcleo interno hasta las tormentas espaciales dirigidas a nuestro planeta. También cubre noticias sobre el clima, el tiempo y el medio ambiente.