Los científicos descubrieron estructuras inesperadas en forma de X y de C en la atmósfera. Están tratando de explicarlas

(CNN) --  Cada día, las señales de radio de los satélites de comunicaciones y navegación más importantes viajan libremente a través de una capa de la atmósfera terrestre conocida como ionosfera.

Esta zona de la atmósfera superior, que flota entre 80 y 643 kilómetros por encima de nuestras cabezas, justo debajo de los confines más bajos del espacio donde orbitan algunos satélites de comunicaciones, también alberga muchos enigmas sin resolver, incluido uno con forma de alfabeto que tiene el potencial de frustrar todo lo que esas señales de radio hacen para que la vida en nuestro planeta funcione sin problemas.

Los astrónomos saben desde hace tiempo que pueden aparecer crestas en forma de X en el plasma de la ionosfera (un mar de partículas cargadas) después de las tormentas solares.

Los fenómenos volcánicos y las condiciones meteorológicas extremas en la Tierra también pueden provocar este fenómeno. Las enormes erupciones, como la de Hunga Tonga-Hunga Ha'apai en enero de 2022, lanzan partículas a la atmósfera terrestre que incluso alcanzan el espacio. Las tormentas eléctricas y los huracanes pueden crear ondas de presión que llegan hasta la ionosfera.

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Mientras tanto, por la noche, durante estos períodos activos, cuando la radiación del Sol no es tan fuerte, también es cuando aparecen burbujas de baja densidad en la ionosfera.

Los datos satelitales no siempre han podido capturar la imagen completa de lo que ocurre en la ionosfera, pero la misión GOLD de la NASA tiene una vista aérea de la capa atmosférica sobre el hemisferio occidental desde el espacio, revelando cómo diferentes factores causan perturbaciones en la ionosfera.

Ahora, los astrónomos que analizan los datos recopilados por la misión GOLD han encontrado características similares con forma de X y C nunca antes vistas que sorprendentemente parecen haber aparecido durante "períodos tranquilos" cuando no había perturbaciones atmosféricas, según una nueva investigación. Los hallazgos están cambiando lo que se sabe sobre cómo podrían formarse las estructuras inusuales y sus posibles impactos.

Los datos de la misión están ayudando a los científicos a ver "lo compleja que es la atmósfera de la Tierra", al tiempo que muestran que es más variable de lo esperado, incluso cuando no hay una causa obvia detrás de las perturbaciones en forma de letras en la ionosfera, dijo Jeffrey Klenzing, un científico investigador que estudia la ionosfera en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland.

"Sospecho que siempre ha estado sucediendo", dijo. "Y el problema ha sido básicamente que no hemos tenido suficientes datos para ver realmente que está sucediendo".

Obtener una mejor comprensión de los fenómenos en forma de letras puede ayudar a los científicos a desentrañar la dinámica entre la ionosfera y el clima, y ​​cómo la interacción puede plantear riesgos para las personas y los sistemas en la Tierra.

Crestas en forma de X

La ionosfera no siempre es una capa de gas perfectamente lisa y está cambiando constantemente. Se electrifica cuando la luz del sol la golpea. La radiación solar arranca electrones de los átomos y las moléculas para crear plasma que permite que las comunicaciones por radio viajen a largas distancias.

Pero a medida que el Sol cae por la noche, la ionosfera adelgaza y las partículas que alguna vez estuvieron cargadas se asientan y se convierten en partículas neutras, según la NASA. Es entonces cuando se pueden formar burbujas en la ionosfera.

Las líneas del campo magnético de la Tierra también transportan partículas cargadas que flotan libremente en la atmósfera a dos bandas densas al norte y al sur del ecuador que se conocen como crestas.

Dadas sus diversas densidades, las crestas y burbujas que se asemejan a diferentes formas dentro de la ionosfera pueden causar interferencias en las comunicaciones y las señales GPS.

La misión GOLD (siglas para Observaciones a Escala Global del Limbo y el Disco), ha estado monitoreando la ionosfera desde su lanzamiento en enero de 2018. El satélite gira alrededor de la Tierra a la misma velocidad que nuestro planeta rota, lo que permite que la nave espacial permanezca en un vuelo constante sobre el hemisferio occidental.

GOLD detectó los signos más claros de las características en forma de X y C en 2019, 2020 y 2021, y en lugares inesperados. La evidencia está haciendo que los investigadores se pregunten sobre los posibles efectos de las X y las C en las señales de comunicación en el futuro.

"La misión GOLD de la NASA es la primera en observar las formas alfabéticas de forma inequívoca", dijo Fazlul Laskar, autor principal de un estudio de abril sobre las formas X publicado en el Journal of Geophysical Research: Space Physics.

"Estas formas revelan que la ionosfera puede ser muy dinámica y, a veces, mostrar estructuras inesperadas", agregó Laskar, científico investigador del Laboratorio de Física Atmosférica y Espacial de la Universidad de Colorado. "Además, demuestra que el clima atmosférico inferior podría tener un enorme impacto en la ionosfera".

El hecho de que GOLD haya observado múltiples casos de formación de las X "durante condiciones geomagnéticas tranquilas" (en lugar de durante perturbaciones atmosféricas como tormentas solares o el clima terrestre, cuando se observaban anteriormente) indica ahora a los científicos que algún otro mecanismo debe ser responsable de la formación de las letras, dijo Laskar. Los modelos informáticos apuntan a cambios en la atmósfera inferior que empujan el plasma hacia abajo como una posible explicación, según el estudio.

"La (aparición de la) X es extraña porque implica que hay factores impulsores mucho más localizados", dijo Klenzing, quien no participó en el estudio de abril. "Esto es lo que se espera durante los eventos extremos, pero verlo durante el 'tiempo de tranquilidad' sugiere que la actividad de la atmósfera inferior está impulsando significativamente la estructura ionosférica".

Burbujas C nunca antes vistas

Por otra parte, GOLD también observó burbujas de plasma en forma de C que pueden estar influenciadas por otros factores.

Normalmente, las burbujas de plasma son largas y rectas porque se forman a lo largo de las líneas del campo magnético de la Tierra. Pero algunas de las burbujas se parecen a formas curvas, que parecen C o C invertidas, y los científicos creen que podrían haber sido moldeadas por los vientos de la Tierra.

Si bien las formas C pueden formarse si los vientos aumentan con la altitud, las C invertidas podrían formarse si los vientos disminuyen con la altitud, según los modelos de investigación.

"Es un poco como un árbol que crece en una zona ventosa", dijo Klenzing. "Si los vientos son típicamente del este, el árbol comienza a inclinarse y crecer en esa dirección".

Pero GOLD observó burbujas de plasma en forma de C y en forma de C invertida inusualmente cercanas entre sí, a solo 644 kilómetrosde distancia, o la distancia aproximada entre Baltimore y Boston, según un estudio de noviembre de 2023 publicado en el Journal of Geophysical Research: Space Physics.

"En esa proximidad, nunca se había pensado en estas dos burbujas de plasma de formas opuestas, nunca se habían fotografiado", dijo Deepak Karan, científico investigador del Laboratorio de Física Atmosférica y Espacial de la Universidad de Colorado. Karan trabaja en la misión GOLD y es el autor principal del estudio de la forma de C y coautor del estudio de la forma de X.

Una actividad similar a un tornado, una cizalladura del viento o un vórtice podrían estar creando turbulencias en la atmósfera que provocan cambios en los patrones del viento en un área tan pequeña, dijo Karan. Pero nunca esperaron ver burbujas con estructuras tan opuestas tan cerca unas de otras.

"El hecho de que tengamos burbujas de formas muy diferentes tan cerca unas de otras nos dice que la dinámica de la atmósfera es más compleja de lo que esperábamos", dijo Klenzing.

Hasta ahora, GOLD solo ha observado dos casos de emparejamientos tan cercanos, pero las burbujas con forma de C tienen el potencial de interrumpir las comunicaciones.

"Es realmente importante averiguar por qué sucede esto", dijo Karan. "Si se ha producido un vórtice o una cizalladura muy fuerte en el plasma, esto distorsionará por completo el plasma sobre esa región. Las señales se perderán por completo con una perturbación fuerte como esta".

Karan dijo que estos vórtices, que pueden durar horas, se parecen a los tornados que se producen en la atmósfera inferior de la Tierra, pero el rompecabezas que los científicos parecen no poder resolver es cómo se forman las estructuras en la ionosfera durante el "tiempo de calma".

"Desvelar el misterio de estas formaciones de burbujas de plasma no es solo una curiosidad científica, sino también de importancia práctica para mitigar los efectos adversos sobre los sistemas de comunicación y navegación", afirmó.

Los intentos de comprender cómo se forman las burbujas tan juntas con las herramientas de modelado actuales no han tenido éxito, afirmó Karan. Su esperanza es que al publicar la investigación e incluir todos los mecanismos de formación posibles, la comunidad científica pueda unirse para resolver el misterio.

Un tesoro de datos

La misión GOLD es muy adecuada para capturar características inesperadas en la ionosfera debido a su órbita. Mientras que las misiones satelitales anteriores solo podían capturar una pequeña parte de un evento en una dimensión, GOLD puede tomar múltiples imágenes de un evento en el transcurso de horas, dijo Laskar. Y espera que en el futuro se revelen características aún más sorprendentes en los datos de GOLD.

"Gracias a una vista tan amplia y a las mediciones continuas, GOLD nos ha permitido observar estos misterios dentro de la ionosfera", dijo Karan.

Dijo que hay muchas preguntas que siguen sin respuesta sobre esta capa atmosférica, como por ejemplo, cómo los cambios en la atmósfera inferior y la actividad solar influyen en el movimiento de partículas cargadas en la ionosfera.

Dado que las tormentas solares podrían aumentar debido a que el Sol se acerca al pico de su ciclo de 11 años, llamado máximo solar, los astrónomos también quieren tener una mejor comprensión de cómo cambia la composición de la ionosfera durante los eventos porque las repentinas oleadas de partículas cargadas pueden aumentar la resistencia de los satélites y acortar su vida útil, dijo Karan.

Las corrientes eléctricas también fluyen en la ionosfera, y un aumento de la corriente eléctrica durante las tormentas solares puede dañar las líneas de transmisión y los transformadores de tierra en la Tierra, dijo.

Durante la tormenta geomagnética del 10 de mayo que golpeó la Tierra, la empresa de tractores John Deere informó que algunos clientes que dependen del GPS para la agricultura de precisión experimentaron una interrupción.

"El mayor impacto en la industria agrícola se centró en los sistemas de guía GPS", dijo Tim Marquis, gerente sénior de Productos de John Deere, en un comunicado. "Los receptores GPS funcionan cuando se recibe una señal a intervalos regulares, como el ritmo de un metrónomo, de un satélite en órbita. Durante las tormentas solares, esa señal golpea una 'niebla' de partículas cargadas y puede perderse. Y las máquinas no pueden saber con precisión dónde están gracias a esta interferencia".

Los resultados pendientes de los estudios de los datos GOLD durante la tormenta geomagnética del 10 de mayo podrían ayudar a los astrónomos en el desarrollo de un sistema de predicción del clima espacial, dijo Laskar.

"Una cosa que necesitamos es un sistema de predicción del clima espacial que nos pueda decir cuándo vamos a tener problemas con las señales GPS y cuándo las órbitas de los satélites pueden necesitar ser ajustadas para evitar colisiones catastróficas", dijo.

Perder una señal GPS en la Tierra no es solo molesto para las personas que intentan encontrar un lugar que no conocen. Las señales de navegación también se utilizan ampliamente en el transporte marítimo, la agricultura y la construcción.

Cuando las burbujas, las crestas o las tormentas solares alteran la distribución del plasma en la ionosfera, las señales de radio que pasan a través de la capa atmosférica pueden cambiar, perderse o desvanecerse, dijo Karan.

"Podría haber impactos potencialmente mortales debido a la pérdida repentina de señales GPS en aviones, barcos y automóviles, lo que es incluso aterrador de imaginar", dijo.

GOLD y los conceptos de misiones futuras podrían ayudar a los científicos a comprender mejor los fenómenos que se esconden detrás de estas características X y C observadas recientemente, e incluso tal vez predecir dichos cambios antes de que se produzcan en la ionosfera.

"Uno de los desafíos para los investigadores de la ionosfera es poder predecir su dinámica con antelación", dijo Laskar, "para poder estar preparados ante la pérdida de la señal GPS y las interrupciones de las comunicaciones por satélite".