El escape atmosférico y la baja gravedad..
Las magnetosferas de planetas terrestres.
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| Impresión del artista (no a escala) que idealiza cómo el viento solar da forma a las magnetosferas de Venus (arriba), la Tierra (centro) y Marte (abajo). A diferencia de Venus y Marte, la Tierra tiene un campo magnético interno que desvía las partículas cargadas del viento solar a medida que se alejan del Sol, formando una "burbuja" (la magnetosfera) alrededor del planeta. En Marte y Venus, que no generan un campo magnético interno, el principal obstáculo para el viento solar es la atmósfera superior, o ionósfera. Al igual que en la Tierra, la radiación ultravioleta solar separa los electrones de los átomos y moléculas en esta región, creando una región de gas ionizado cargado eléctricamente: la ionosfera. En Marte y Venus, esta capa ionizada interactúa directamente con el viento solar y su campo magnético para crear una magnetosfera inducida, que actúa para desacelerar y desviar las partículas del viento solar alrededor del planeta. Crédito: ESA. |
La baja gravedad y la ausencia de campo magnético de Marte hacen de su atmósfera exterior un blanco fácil para ser arrastrada por el viento solar, pero nuevos hallazgos de la sonda Mars Express de la ESA muestran que la radiación Solar podría desempeñar un papel sorprendente en el escape atmosférico.
Comprender los distintos caminos que tomó la evolución en los planetas rocosos del Sistema Solar interior a lo largo de 4.600 millones de años es clave para determinar qué hace que un planeta sea habitable. Mientras que la Tierra es un mundo rico en agua, nuestro vecino menor, Marte, perdió gran parte de su atmósfera en el principio de su historia, pasando de ser un entorno cálido y húmedo a convertirse en el planeta árido y frío que conocemos en la actualidad. Por el contrario, nuestro otro vecino, Venus, actualmente inhabitable y con un tamaño comparable a la Tierra, presenta una atmósfera densa.
Con frecuencia se señala que una de las formas en que la atmósfera de un planeta se protege es mediante un campo magnético generado internamente, como sucede en el caso de la Tierra. El campo magnético desvía las partículas cargadas del viento solar que escapan del Sol, creando una burbuja protectora alrededor del planeta: la magnetosfera.
Como Marte y Venus no generan este campo magnético interno, la principal barrera contra el viento solar es su alta atmósfera, o ionosfera. Al igual que en el caso de la Tierra, la radiación ultravioleta separa los electrones de los átomos y moléculas de esa zona, creando una región de gas cargado eléctricamente. En Marte y Venus, esta capa ionizada, la ionosfera, interactúa directamente con el viento solar y su campo magnético para crear una magnetosfera inducida, que actúa ralentizando y desviando el viento solar alrededor del planeta.
La sonda Mars Express de la ESA ha estado observando durante 14 años iones cargados de oxígeno y dióxido de carbono, por ejemplo, liberados al espacio para comprender mejor la velocidad a la que la atmósfera escapaba del planeta.
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| Ilustración del escape iónico de Marte. Como en la Tierra, la radiación solar ultravioleta separa los electrones de los átomos y las moléculas (partículas azules), creando una región de gas ionizado cargado eléctricamente: la ionosfera. Esta capa ionizada interactúa directamente con el viento solar y su campo magnético para crear una magnetosfera inducida, que actúa para desacelerar y desviar las partículas del viento solar alrededor del planeta. En un nuevo estudio de Mars Express, se descubrió que la naturaleza ionizante de la radiación del Sol produce más iones que los que puede eliminar el viento solar. Aunque la mayor producción de iones ayuda a proteger la atmósfera inferior de la energía transportada por el viento solar, el calentamiento de los electrones parece ser suficiente para arrastrar iones en todas las condiciones, creando un "viento polar". La gravedad débil de Marte, alrededor de un tercio de la de la Tierra, significa que el planeta no puede aferrarse a estos iones y escapan fácilmente al espacio, independientemente de la energía extra proporcionada por un fuerte viento solar. Crédito: ESA. |
El estudio ha revelado un efecto sorprendente, dado que la radiación ultravioleta del Sol tiene un papel mucho más importante de lo que se creía.
“Pensábamos que el escape de iones se debía a una transferencia efectiva de la energía del viento solar, a través de la barrera magnética inducida de Marte, hacia la ionosfera”, reconoce Robin Ramstad, del Instituto Sueco de Física Espacial, y autor principal del estudio sobre Mars Express.
“De una forma que quizá desafía nuestra intuición, lo que realmente vemos es que la mayor producción de iones provocada por la radiación ultravioleta solar blinda la atmósfera del planeta de la energía que lleva el viento solar, pero que los iones precisan de muy poca energía para escapar por sí mismos, dada la baja gravedad que une la atmósfera a Marte”.
Se ha descubierto que la naturaleza ionizante de la radiación solar produce más iones de los que puede arrastrar el viento solar. Aunque la mayor producción de iones contribuye a proteger la baja atmósfera de la energía que lleva el viento solar, el calentamiento de los electrones parece ser suficiente para arrastrar iones en todas las condiciones, creando una suerte de ‘viento polar’. La débil gravedad de Marte, alrededor de un tercio de la de la Tierra, hace que el planeta no pueda sujetar estos iones y que estos escapen al espacio, independientemente de la energía extra que aporta un viento solar fuerte.
En Venus, donde la gravedad es similar a la de la Tierra, se necesita mucha más energía para que se pierda atmósfera de esta forma, y los iones que abandonan la cara soleada podrían regresar al planeta por la cara contraria a menos que se aceleren de alguna manera.
“Así, concluimos que, hoy en día, el escape de iones de Marte está limitado principalmente por la producción y no por la energía, mientras que en Venus es probable que la limitación se deba a la energía, dada la mayor gravedad del planeta y la mayor tasa de ionización, por estar más cerca del Sol”, añade Robin.
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| Mars Express despegó del cosmódromo de Baikonur a bordo de un cohete Soyuz-Fregat el 2 de junio de 2003. Entró en órbita alrededor de Marte el 25 de diciembre de ese año y alcanzó su órbita operativa en enero de 2004. La misión inicial fue de un año marciano (687 días terrestres) , completado en septiembre de 2005, sigue operativa. Crédito: ESA / Alex Lutkus |
“En otras palabras, es probable que el efecto directo del viento solar en la cantidad de atmósfera que Marte ha perdido con el tiempo sea mínimo, y que simplemente potencie la aceleración de las partículas que escapan”.
“La continua observación de Marte desde 2004, que abarcaba los cambios en la actividad solar desde el mínimo al máximo solar, nos ha proporcionado un gran conjunto de datos que resulta vital para comprender el comportamiento a largo plazo de las atmósferas planetarias y su interacción con el Sol”, explica Dmitri Titov, científico del proyecto Mars Express de la ESA. “La colaboración con la misión MAVEN de la NASA, que lleva en marte desde 2014, también nos permite estudiar los procesos de escape atmosférico con mayor detalle”.
El estudio también presenta implicaciones para la búsqueda de atmósferas similares a la de la Tierra en otras partes del Universo.
“Quizá, a la hora de proteger la atmósfera de un planeta, su campo magnético no sea tan importante como su gravedad, que define hasta qué punto el planeta conserva sus partículas atmosféricas una vez han sido ionizadas por la radiación del Sol, independientemente de la fuerza del viento solar”, añade Dmitri.
Nota para los editores.
El artículo “Global Mars-solar wind coupling and ion escape”, de Ramstad et al., está publicado en Journal of Geophysical Research: Space Physics (2017) doi:10.1002/2017JA024306.
El estudio está basado en datos recopilados por el instrumento ASPERA-3 (Analizador de Plasma Espacial y Átomos Energizados) de Mars Express.
La sonda Venus Express de la ESA, que concluyó su misión en 2014, contaba con un instrumento idéntico.
La misión Mars Express fue lanzada el 2 de junio de 2003 y este año cumple 15 años en el espacio.
Para más información:
Robin Ramstad
Swedish Institute of Space Physics, Kiruna, Sweden
Email: robin.ramstad@irf.se
Dmitri Titov
ESA Mars Express Project Scientist
Email: dmitri.titov@esa.int
Markus Bauer
ESA Science Communication Officer
Tel: +31 71 565 6799
Mob: +31 61 594 3 954
Email: markus.bauer@esa.int
Oficina de Comunicación ESAC
Email: comunicacionesac@esa.int
• Publicado en ESA el 8 de febrero del 2.018.
