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» » Ondas de forma surfista halladas en el espacio cercano a la Tierra

Referencia: Science Daily.com, 8 de julio 2015
“Surfer-shaped waves found in near-Earth space”
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    El universo rebosa de patrones repetitivos. Desde las células más pequeñas hasta las galaxias más grandes, los científicos a menudo observan patrones similares en muy diferentes lugares. Uno de estos patrones son las icónicas olas del surfista vistas en el océano, una serie de colinas rizadas en movimiento constante orientadas en una dirección. Esta forma tiene una causa simple. De un flujo rápido, como el viento, que pasa por uno más lento, por ejemplo el agua, que de forma natural crea esta forma clásica. Las ondas de Kelvin-Helmholtz fueron denominadas tardíamente así por sus descubridores a finales de 1800, estas ondas se han ido descubriendo en todo el universo: en las nubes, en las atmósferas de otros planetas y en el Sol. En dos artículos publicados recientemente se ponen de relieve estas ondas bien formadas en los límites del espacio cercano a la Tierra.

Los científicos quieren entender los detalles de lo que sucede en esos límites porque varios de esos eventos pueden perturbar nuestro entorno espacial. Cuando es lo suficientemente fuerte, este clima espacial puede interrumpir nuestros sistemas electrónicos de comunicaciones a bordo de satélites. Mientras que los científicos han descubierto ocasionalmente las ondas de Kelvin-Helmholtz en esta frontera, dando lugar a preguntarse si podrían mejorar o habilitar el clima espacial, los nuevos documentos muestran tales ondas son mucho más comunes de lo esperado. El segundo artículo presenta un estudio de caso que describe una forma previamente no observadas donde las ondas pueden ser iniciadas. Y entre ambas investigaciones sugieren que las ondas pueden tener más efecto en nuestro entorno espacial del que se creía.

"Sabíamos de las ondas de Kelvin-Helmholtz en los límites del entorno magnético de la Tierra, pero fueron consideradas relativamente raras y se pensaba que sólo aparecían en condiciones muy concretas", señalaba Shiva Kavosi, un científico espacial de la Universidad de New Hampshire en Durham, y primer autor de uno de los estudios que apareció en Nature Communications, el 11 de mayo de 2015. "Resulta que pueden aparecer en cualquier condición y son mucho más frecuentes de lo que pensábamos. Están presentes 20% del tiempo."

Estas ondas son un resultado directo de la forma en que nuestro planeta se incluye en el más grande sistema solar. El planeta Tierra es un imán gigantesco y su influencia magnética se extiende hacia fuera en una gran burbuja llamada magnetosfera. El flujo constante de partículas del Sol, llamado viento solar, sopla por la magnetosfera, no es muy diferente del viento que sopla sobre la superficie del océano. Durante ciertas situaciones, las partículas y la energía del Sol pueden romper la magnetosfera, metiéndose dentro del espacio cercano a la Tierra. Este influjo se encuentra en el corazón de los fenómenos meteorológicos espaciales que pueden afectar a nuestra tecnología más cerca de casa.

Para detectar la frecuencia de las ondas de Kelvin-Helmholtz, el equipo se basó en los datos instrumentales de dos naves espaciales de la NASA: el Advanced Composition Explorer (ACE), y la Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms (THEMIS). La ACE se encuentra entre la Tierra y el Sol, midiendo el viento solar unos 30 a 60 minutos antes de que entre en contacto con la magnetosfera de la Tierra. THEMIS orbita la Tierra, se mueve regularmente dentro y fuera de los límites de la magnetosfera. Los investigadores primero establecieron qué ondas Kelvin-Helmholtz aparecían con las simulaciones numéricas. Luego utilizaron las observaciones de THEMIS para ver cuándo y dónde se producían. A continuación, se correlacionaron estos datos de los límites de la magnetopausa con lo mide ACE del viento solar. En teorías anteriores se sugería que las ondas de Kelvin-Helmholtz sólo ocurrian en situaciones muy específicas, como cuando los campos magnéticos del viento solar apuntaban en la misma dirección que los de la Tierra. Inesperadamente, el equipo encontró que las ondas de Kelvin-Helmholtz aparecieron bajo una amplia variedad de condiciones. Aun cuando los vientos rápidos y lentos así como los de campos magnéticos señalaran en cualquier dirección, eran igualmente capaces de producir estas ondas clásicas.

Mientras que el primer documento compara las ondas de Kelvin-Helmholtz a lo que se ve en el viento solar, el segundo equipo lo comparó con lo que estaba pasando cerca de la Tierra y proporciona una posible explicación de por qué se pueden observar con tanta frecuencia. El segundo documento fue publicado en línea en el Journal of Geophysical Research el 26 de junio de 2015, y fue realizado por Brian Walsh de la Universidad de Boston y Evan Thomas, un estudiante en la Universidad Virginia Tech en Blacksburg, Virginia, ahora en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, en Greenbelt, Maryland.

Thomas trabaja con datos de una red de observatorios terrestres conocidas como SuperDARN, acrónimo de Super Dual Auroral Radar Network. Estos miden los campos eléctricos del espacio cercano a la Tierra. Walsh se centró en los datos de THEMIS. Utilizando las observaciones espaciales y terrestres combinadas, el equipo detectó la propagación de las ondas de Kelvin-Helmholtz en el límite de la magnetosfera. THEMIS también vio algo más: Justo antes de que las ondas comenzaran, una reserva de gas cargado alrededor de la Tierra, conocido como la plasmaesfera, enviaba una pluma delgada de plasma que llegó a más de 20,000 millas hasta contactar con los bordes mismos de la magnetosfera, depositando átomos adicionales en ese frontera fundamental entre Sol-Tierra.


Las apariciones de estos chorros son bastante regulares, pero esta es la primera vez que han sido correlacionados con las ondas de Kelvin-Helmholtz. Este estudio de caso sugiere que el propio chorro puede desencadenar las ondas, tal vez debido a que aumenta la densidad en el límite de la magnetosfera, creando así un fluido, sustancialmente más lento que el más rápido viento solar, y por tanto, las condiciones necesarias para las ondas Kelvin-Helmholtz.

"La teoría de las ondas Kelvin-Helmholtz está bien desarrollada, pero no tenemos muchas observaciones", apuntó Thomas. "Estas nuevas observaciones muestran que las ondas están sucediendo con más frecuencia de lo esperado y, probablemente, son más importantes de lo que pensábamos, aunque aún no conocemos todos los detalles."

La comprensión de esa crucial frontera magnetosférica y cómo permite el material solar, requiere una comprensión de una variedad de procesos que pueden afectarla y alterarla.

"Hay una gran cantidad de procesos que proponen como entra el material en la magnetosfera", subraya Raeder. "Y las ondas de Kelvin-Helmholtz es uno de ellos. Antes creíamos que las ondas no eran suficientemente frecuentes como para tener un efecto fuerte, pero si estas ondas perturban la frontera y mezclan el material solar con el espacio cercano a la Tierra, entonces podría ser una de las formas en las que el plasma del viento solar se introduce en la magnetosfera."

Independientemente de si las ondas de Kelvin-Helmholtz son un fuerte desencadenante de tales fenómenos meteorológicos en el espacio cercano a la Tierra, estos detalles ayudan a pintar un cuadro más completo de nuestra magnetosfera que, en última instancia, nos ayuda a proteger mejor nuestro planeta.

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- Imagen: Esta simulación muestra la burbuja magnética alrededor de la Tierra, llamada la magnetosfera. Crédito: S. Kavosi/J. Raeder/UNH
- Animación: Simulación Numérica de la inestabilidad temporal Kelvin-Helmholtz. Wikipedia.
- Fuente: NASA/Goddard Space Flight Center.
- Publicacion: Shiva Kavosi, Joachim Raeder. Ubiquity of Kelvin–Helmholtz waves at Earth’s magnetopause. Nature Communications, 2015; 6: 7019 DOI: 10.1038/ncomms8019.

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