Estudiar els fenòmens atmosfèrics violents des de l’espai

Els fenòmens associats a les tempestes que ocorren a l’atmosfera terrestre encara no estan compresos totalment. Els raigs, llamps i trons en són els trets més característics però aquests es produeixen en la baixa atmosfera. Però des de l’espai, des de fa anys, s’observen altres fenòmens fins i tot més violents que no s’entenen encara. Per tractar d’explicar el problema global de les tempestes, dilluns passat, dia 2, es llançà  la missió ASIM (The Atmosphere Space Interactions Monitor) per instal·lar-se a l’exterior de l’Estació Espacial Internacional (ISS). La Universitat de València lidera aquest projecte de ciència de l’atmosfera.

L’objectiu principal de la missió ASIM és estudiar la correlació (mateix lloc, mateix temps) entre els esdeveniments lluminosos transitoris (TLE, Transient luminous events, per les seues inicials en anglès) i els flaixos terrestres de raigs gamma (TGF, Terrestrial gamma ray flashes) que es produeixen a l’atmosfera superior per sobre de les tempestes.

Els esdeveniments lluminosos transitoris (TLE) són descàrregues d’energia electromagnètica en l’atmosfera superior, molt per sobre del que observem des de la superfície terrestre. Els TLE inclouen sprites o espectres vermells, dolls blaus i follets (i molts més), encara que els més comuns són els sprites. Els TLE es produeixen per sobre de les tempestes, la qual cosa significa que mentrestant els raigs s’activen en la baixa atmosfera.

L’sprite és una descàrrega elèctrica que es produeix per sobre dels núvols cumulonimbe en tempestes intenses en la part de l’atmosfera anomenada mesosfera. Per sota té una estructura tipus filamentosa blava que pot assolir 30 quilòmetres d’alçada i en la seva part superior forma una espurna lluminosa vermell-ataronjada.

Els flaixos de raigs gamma terrestres (Terrestrial gamma-ray flashes o TGFs en anglès) són esclats de raigs gamma produïts en l’atmosfera de la Terra. Els TGFs registrats duren ben poc, entre 0,2 i 3,5 mil·lisegons, però poden presentar energies de fins a 20 MeV. Els científics també han detectat emissions de positrons i electrons energètics. Probablement són causats per intensos camps elèctrics produïts per sobre o a l’interior de grans tempestes elèctriques però el seu origen no està clar.

L’objectiu principal de la missió ASIM és estudiar la correlació (mateix lloc, mateix temps) entre els esdeveniments de llum transitòria (TLE) i les flaixos de raigs gamma terrestres (TGF). Això s’aconsegueix amb els dos instruments, un instrument òptic per observar els TLE i un detector d’altes energies de raigs X i raigs gamma per observar els TGF. Els dos instruments implementen algorismes d’activació avançats per a la identificació d’aquests esdeveniments.

Producció hipotètica de flaixos de raigs gamma terrestres (TGF) propers a un raig impulsat per ones electromagnètiques irradiades per un gran pols de llum.

La Universitat de València participa en la missió espacial ASIM, per analitzar els fenòmens violents de l’atmosfera. El professor d’Astronomia de la Universitat de València Víctor Reglero dirigeix l’equip internacional que ha dissenyat aquest instrument de recerca espacial. ASIM ha sigut desenvolupat durant dotze anys per equips danesos, noruecs i de l’estat espanyol.

Un conjunt de 40 persones dels camps de la recerca i les tecnologies de la Universitat de València, la Universitat Politècnica de Catalunya, l’Institut d’Astrofísica d’Andalusia-CSIC i l’Institut Nacional de Tècniques Aeroespacials (INTA) amb diverses empreses, entre les quals destaquen Aciturri i Iberespacio de Madrid i Vacuum Projects i Alcupla de València han realitzat un treball intens per desenvolupar l’instrument principal MXGS (els sistemes òptics).

Aquests treballs continuen la tradició de disseny de missions científiques de la Universitat de València començats el 1992 amb LEGRI (Low Energy Gamma Ray Imager) com a part de la plataforma MINISAT-01 llaçada l’abril de 1997, amb la missió d’Alta Energia Integral (2002) de l’Agència Espacial Europea i Uffo en el satèl·lit rus Lomonosov (2016). Un element clau de la missió actual ASIM ha sigut el disseny, fabricació i qualificació per a vol dels sistemes òptics d’Alta Energia (Màscares Codificades) de MXGS.

ASIM arribà a l’Estació Espacial Internacional en un vehicle de transport SpaceX Dragon després d’haver estat llançat per un coet Falcon de Spacex des de Cap Canyaveral (EUA) el passar el 2 d’abril.

Una vegada arribat a l’estació s’instal·larà ASIM en la seua ubicació, a l’exterior i l’extrem del mòdul europeu Columbus en una operació delicada pels seus tres-cents quilos de pes que exigixirà l’ús del braç robòtic i l’eixida d’astronautes, i que durarà una setmana en gravetat zero, i finalment s’encendrà.

Es preveu que els instruments a bord d’ASIM estiguen operatius uns dos anys, que seran dos anys de treball d’operacions i anàlisis al Centre de Dades, que tindrà seus compartides a la Universitat de Dinamarca, a la Universitat de Bergen a Noruega i a la Universitat de València, al Campus de Burjassot-Paterna.

Imatges:

1.- Logo del projecte ASIM.
2.- Representació de fenòmens elèctrics en l’alta atmosfera. Wikipèdia Commons.
3.- Un sprite sobre Laos, vist des de l’Estació Espacial Internacional. Imatge de la NASA cortesia de Jeff Schmaltz, MODIS Rapid Response Team, Goddard Space Flight Center. Text de Michon Scott.
4.- Com les tempestes envien partícules a l’espai. NASA/Goddard Space Flight Center. Part d’una sèrie d’imatges de l’esdeveniment.
5.- Producció hipotètica de flaixos de raigs gamma terrestres (TGF) propers a un raig. Wikipèdia Commons.

Parlant de tempestes solars a À Punt Mèdia

Ahir va ser un dia especial per dos motius. Primerament vaig poder gaudir des de dins de la nova ràdio valenciana, la ràdio d’À Punt Mèdia i la segona vaig parlar de ciència amb Jèssica Crespo, la conductora del programa matinal Al Ras.

Davant la inquietud que desperten els fenòmens violents de l’espai que afecten a la Terra, m’he centrat en les tempestes solars i els seus efectes sobre el nostre planeta.

De vegades, sobretot en períodes de gran activitat solar, el camp magnètic de les zones actives solars es reestructura i, en el procés, s’expulsen milions de tones de plasma a l’espai. És el que anomenem una tempesta solar.

Si tenim la mala sort que aquest fenomen passe just en el centre del disc solar, la tempesta arribarà de segur a la Terra i produirà diversos efectes depenent de la seua intensitat.

Les tempestes solars es caracteritzen per tres tipus de processos energètics ben diferents:

El primer seria l’emissió de radiació electromagnètica (raig X, gamma i ultravioleta) que en arribar al nostre planeta és capaç d’afectar les capes altes de l’atmosfera terrestre, d’ionitzar-la, augmentant la densitat electrònica i escalfar-la i expandir-la de manera que els satèl·lits en orbita baixa poden canviar l’òrbita en augmentar el fregament i el segon seria l’emissió de protons molt energètics (Esdeveniments d’emissió de protons) que pot afectar els astronautes o tallar les comunicacions per satèl·lit.

Tanmateix és l’emissió de massa coronal el fenomen més energètic relacionat amb les tempestes solars. Milions de tones de plasma (gas altament ionitzat) són expulsats a l’espai embolcallats en una mena de bambolla magnètica que en xocar contra el camp magnètic terrestre són deflectides cap a les zones polars. El xoc d’aquestes partícules energètiques amb les molècules d’oxigen i nitrogen atmosfèrics origina les cascades de llums de color que coneixem com a aurores boreals. Una tempesta geomagnètic ha començat.

De vegades però, les conseqüències d’aquest encontre còsmic no són tan innòcues. Si la tempesta  solar és molt intensa els corrents de partícules que recorren la magnetosfera terrestre creen uns corrents induïts en el subsol terrestre, que fàcilment pot arribar a les línies d’alta tensió a través de les preses de terra. Aquestes corrents poden arribar als transformadors i cremar-los. Ciutats senceres s’han quedat a les fosques després d’una tempesta geomagnètica intensa com ara Quebec, en març del 1989 o part de Malmö el 2003. Els efectes són, per tant, devastadors, tant per a les infraestructures com per a les persones.

De tot això he parlat a Al Ras. Si voleu escoltar-me, ací us deixe l’enllaç (A partir del minut 25)

Parlant de tempestes solars a Al Ras

Més informació:
Solar Storm Threat Analysis, James A. Marusek.

Quan vinga la gran tempesta solar, s’acabarà tot?

Fa uns mesos sembla que la NASA va anunciar que, a finals d’any, el Sol revifarà finalment del seu impasse i l’activitat magnètica tornarà a ser la que correspondria al màxim del cicle solar. A més, va dir, això vindria associat amb un increment de tempestes solars. I alguna d’elles podria afectar la Terra.

Després del fracàs del darrer final del món que venia de la mà dels maies, calia un altre final apoteòsic per a la humanitat.

Tot això ve al cas d’una consulta telefònica que em feren l’altre dia, d’un home major que estava preocupat pels aparells electrònics de casa. Una gran tempesta solar que impactara sobre la Terra faria malbé tota l’electrònica que fem servir a la Terra i, per tant, hauríem de dir adéu als nostres ordinadors, aparells de música, telèfons mòbils, tauletes i playstations.

Les tempestes solars passen quan dues zones actives solars de polaritat magnètica oposada (unes línies magnètiques entren en el Sol mentre que d’altres en surten) s’acosten molt. En aquest cas la forma general de les línies es reestructura per a assolir una configuració més estable. Part de les línies magnètiques es trenquen i, juntament amb el material calent que hi estava confinat, són expulsades a l’espai. Un exemple mecànic que ens ho pot clarificar seria pensar en unes immenses tires de goma elàstica que després d’haver-se estirat molt, al final es trenquen i un tros ix expulsat a gran velocitat. En el cas del Sol, el camp magnètic expulsat s’endú part del gas calent.

El conjunt camp magnètic-material calent expulsat del Sol rep el nom de tempesta magnètica. El material calent està format per partícules carregades elèctricament (electrons i protons fonamentalment) que viatgen a velocitats de 200 a 500 km/s.

En una esfera com el Sol, la tempesta pot eixir en qualsevol direcció. Només de vegades vindrà en direcció a la Terra. En general aquests fenòmens venen en direcció oposada a la Terra i no la toquen.

L’home que em preguntava, en previsió de la possible catástrofe, ja s’havia procurat un gran armari metàl·lic per guardar-ho tot (DVDs, aparell de música, etc..). Aquesta és una bona pensada ja que a causa de l’efecte Gàbia de Faraday a l’armari no entrarà cap camp elèctric.

Però quan arribe una tempesta a la Terra, el nostre planeta té un dispositiu de protecció contra les partícules solars.

El camp magnètic de la Terra, que ens sembla que només serveix per moure la brúixola cap al nord, és, en realitat, un magnífic escut contra les tempestes solars.  Les partícules energètiques del Sol són desviades cap a les zones polars terrestres. I, un cop arriben a l’atmosfera sobre els pols, interaccionen amb els gasos atmosfèrics amb la formació de les aurores polars.

Però només si les tempestes són molt energètiques les aurores arriben a veure’s a latituds com les nostres.

No hem de patir per les tempestes en la superfície de la Terra. El que si que pot tindre algun dany és l’electrònica de les naus espacials en òrbita terrestre. Ara depenem molt dels satèl·lits: GPS, metereològics, anàlisi de la Terra, comunicacions, navegació aèrea i marítima, etc…

És per això que li vaig fer veure a l’home al telèfon, que tot i ser molt importants els seus aparells, si això passés, el realment important seria la pèrdua de tots els satèl·lits artificials, també els de la televisió, i amb aquesta catàsfrofe l’arribada d’un caos econòmic mundial a causa de la caiguda de totes les borses mundials. Vist com està el món potser seria una bona jugada.

Però això no passarà. Si ve una gran tempesta solar el camp magnètic terrestre ens salvarà de la catástrofe. Això si, veurem unes precioses aurores boreals a la ciutat de València. Només, és clar, si ens apaguen les llums d’una de les ciutats més contaminades lumínicament del món.

Post realitzat com a exercici al curs: Divulgar ciència en la Web: les xarxes socials i els blogs. Impartit per José Miguel Mulet.

Imatge: Com un ventall. Les línies de camp magnètic que surten d’un regió activa important semblen estendre’s gairebé com un vental dèbil però ample durant 2,5 dies (de 3 al 5 novembre 2013). Vist a la llum ultraviolada extrema les línies de camp magnètic són visibles a causa a les partícules carregades que es mouen en espiral. La regió acull el tipus de camp magnètic trenat que té la capacitat d’alliberar grans flamarades i ejeccions de massa coronal. De fet, va esclatar en una flamarada X3 (classe més gran) el 5 novembre. Crèdit: SDO, Observatori de Dinàmica Solar/NASA.