Cluster cumple veinte años estudiando la magnetosfera terrestre

Aunque su vida útil nominal era de dos años, la misión Cluster de la ESA está adentrándose en su tercer decenio en el espacio. Esta misión única, formada por cuatro satélites, lleva desde 2000 desvelando los secretos del entorno magnético de la Tierra y, tras 20 años estudiando la relación de nuestro planeta con el Sol, aún da lugar a nuevos descubrimientos.

La Tierra ocupa un lugar realmente único en el sistema solar, pues es el único planeta que se sepa que alberga vida. La misión Cluster, lanzada en verano de 2000, fue diseñada y construida para estudiar lo que tal vez permita que la Tierra sea un mundo habitable en el que puede florecer la vida: la magnetosfera. Esta potente región protege el planeta del bombardeo de partículas cósmicas, pero también interactúa con ellas, creando fenómenos espectaculares como las auroras polares.

La magnetosfera terrestre, una región en forma de gota que comienza a unos 65.000 kilómetros del lado diurno del planeta y se extiende hasta 6,3 millones de kilómetros por el lado nocturno, resulta de la interacción del campo magnético, generado por los movimientos del núcleo de metal fundido, y el viento solar. Cluster es la primera misión que ha estudiado, modelado y cartografiado en tres dimensiones esta región y sus procesos con todo detalle. Con ello, ha contribuido a que avancemos en nuestra comprensión de los fenómenos de la meteorología espacial, que surgen de la relación entre la magnetosfera y las partículas energéticas que forman el viento solar. Estos fenómenos no solo pueden resultar nocivos para los seres vivos, también para los equipos electrónicos, tanto terrestres como en órbita.

La misión comprende cuatro satélites que vuelan en formación piramidal a lo largo de una órbita polar elíptica. Cada uno de ellos, denominados Rumba, Salsa, Samba y Tango, lleva la misma carga útil de 11 avanzados instrumentos y los cuatro se pusieron en órbita mediante dos lanzamientos, que tuvieron lugar el 16 de julio y el 9 de agosto de 2000.

(Foto: ESA – CC BY-SA 3.0 IGO)

Aunque la misión ha alcanzado un enorme éxito y facilitado numerosos avances científicos, sus comienzos no fueron un camino de rosas. Un error en la primera etapa del lanzador Soyuz dejó a Rumba y Tango en una órbita incorrecta, por lo que tuvieron que utilizar su propia propulsión, así como la etapa superior Fregat del cohete, para llegar hasta la posición adecuada y unirse a Salsa y Samba. Este incidente se produjo después del lanzamiento fallido del cuarteto original, Cluster I, en 1996.

“Hace 20 años, la ESA estaba algo preocupada por el lanzamiento del segundo par de satélites”, admite Philippe Escoubet, científico del proyecto Cluster de la ESA. “Desde entonces, la misión ha progresado enormemente y está lejos de haber finalizado”.

Durante las últimas dos décadas, las observaciones de Cluster han descubierto detalles sobre los procesos que se dan en la magnetosfera, han revelado cómo la atmósfera contribuye a que sea posible la vida y han revelado información clave sobre fenómenos meteorológicos espaciales que han hecho posible que las comunicaciones por satélite y el transporte aéreo y espacial sean seguros.

La fortaleza de la misión no se debe solo a su configuración de cuatro satélites, sino también a que los operadores pueden adaptar la distancia entre ellos de 3 a 60.000 kilómetros, dependiendo del objetivo científico.

“Este diseño multisatélite es clave para el éxito de Cluster”, explica Philippe. “Al usar cuatro naves en vez de una, Cluster puede medir como nadie distintas áreas del espacio y obtener múltiples perspectivas simultáneas de un fenómeno o actividad particular, como las tormentas solares”.

Cuando están próximos, los satélites de Cluster pueden ahondar en las estructuras magnéticas del espacio cercano a la Tierra; cuando se hallan más separados, pueden obtener una vista más amplia de la actividad a gran escala. A lo largo de su órbita, la misión entra y sale de la magnetosfera terrestre, lo que le permite investigar los fenómenos a ambos lados del escudo magnético de nuestro planeta.

Mientras que la mayoría de las misiones que exploran los fenómenos magnéticos de la Tierra se centran en su ecuador, donde se producen numerosas corrientes eléctricas, el cuarteto de Cluster circunvala el planeta en una órbita polar, sobrevolando periódicamente ambos polos. Las regiones polares son muy dinámicas desde el punto de vista del magnetismo. El viento solar en estas zonas puede penetrar más en la alta atmósfera a través de las cúspides polares, aberturas en forma de embudo que la magnetosfera presenta sobre los polos, dando lugar a las espectaculares auroras.

La capacidad de Cluster de observar latitudes superiores a las que alcanzan otras misiones la han convertido en fundamental a la hora de dibujar el mapa de la magnetosfera terrestre.

Un elemento clave para ello fue el cartografiado preciso y en tres dimensiones de la posición y el alcance del llamado plasma frío (partículas cargadas que se desplazan lentamente) alrededor de la Tierra. Se cree que este plasma —que Cluster descubrió que dominaba en el volumen de la magnetosfera hasta el 70 % del tiempo— tiene un papel esencial en el modo en que las tormentas espaciales afectan a nuestro planeta. Cluster también ha estudiado cómo la parte interior de la magnetosfera terrestre actúa “rellenando” de plasma fresco otras partes, al observar no solo columnas esporádicas que empujan el plasma hacia el exterior, sino también una fuga atmosférica constante de casi 90.000 kilogramos de material por día.

Gracias al cartografiado del campo magnético terrestre y a su comparación con el débil magnetismo que Marte presenta en la actualidad, Cluster ha reafirmado la importancia de nuestra magnetosfera a la hora de protegernos del viento solar.

Cluster, además, ha proporcionado información sobre las dinámicas dentro de la magnetocola, la parte de la magnetosfera que se extiende por detrás de nuestro planeta, alejándose del Sol. La misión descubrió que, en esta región, la amplitud del campo magnético oscila debido a ondas internas de tipo “kink”, y resolvió un misterio de larga data al determinar que el fenómeno del ruido ecuatorial (ruidosas ondas de plasma detectadas cerca del plano ecuatorial del campo magnético de la Tierra) está generado por protones.

Al investigar las características espaciales de la región exterior de la magnetosfera, Cluster nos ha permitido entender mejor cómo las partículas de viento solar pueden atravesar nuestro escudo magnético. El viento solar es una corriente de partículas cargadas que libera el Sol y que se mueven hasta a 2.000 kilómetros por hora. Tras identificar minúsculas turbulencias que afectaban al modo en que la energía (calor) se distribuye en el viento, descubrió que, aunque la magnetosfera nos protege de las partículas entrantes, es bastante porosa y, como si fuese un tamiz, permite que la atraviesen partículas de viento solar supercalientes.

En colaboración con otras misiones, Cluster ha contribuido a revelar el funcionamiento de las auroras “theta” a alta latitud y las misteriosas “auroras negras”, lo que ha permitido comprender mejor el intercambio de partículas entre distintas regiones del espacio. La misión también ha descubierto el origen de los llamados “electrones asesinos”, partículas energéticas en el cinturón de radiación externo de la Tierra que pueden causar estragos en los satélites, observando este proceso de primera mano. Cluster descubrió que estos electores aparecen cuando las ondas de choque relacionadas con las tormentas solares comprimen las líneas del campo magnético terrestre, haciendo que las líneas vibren y los electrones se aceleren hasta velocidades elevadas y peligrosas.

Cluster ha investigado la dinámica de un proceso conocido como reconexión magnética y proporcionó las primeras observaciones in situ de la rotura y recomposición de las líneas del campo magnético, un hallazgo que precisó de múltiples observaciones simultáneas, algo de lo que solo Cluster era capaz en aquel momento. Los datos de la misión también mostraron que durante las reconexiones, la energía se liberaba de formas inesperadas, lo que ayudó a los científicos a comprender mejor la dinámica del plasma.

La meteorología espacial y las tormentas geomagnéticas, fenómenos debidos a la interacción de la Tierra con el Sol, han sido otros de los objetivos de Cluster. La misión ha modelado el campo magnético terrestre a bajas y altas altitudes, y ha identificado la compleja dinámica del viento solar a fin de conseguir unas previsiones de meteorología espacial más precisas e informadas. A finales del año pasado, al analizar el vasto archivo científico de Cluster, los científicos también dieron a conocer el enigmático “canto” que emite la Tierra cuando es azotada por una tormenta solar, creado a partir de ondas del campo magnético.

A lo largo de tantos años de funcionamiento, Cluster ha ido acumulando un conjunto de datos sin precedentes sobre el entorno de nuestro planeta. De hecho, explorando 18 años de datos, los científicos han descubierto recientemente que hay hierro presente en abundancia y, lo que resulta sorprendente, distribuido de manera uniforme alrededor de la Tierra, lo que demuestra una vez más la capacidad de Cluster de posibilitar nuevos descubrimientos científicos.

“Contar con tal cantidad de datos ha posibilitado numerosos hallazgos realmente revolucionarios”, añade Arnaud Masson, científico adjunto de proyecto de la misión Cluster de la ESA. “Al vigilar y registrar continuamente durante dos decenios las dinámicas y propiedades de la magnetosfera terrestre, Cluster ha brindado nuevas oportunidades a los científicos de detectar tendencias, tanto nuevas como antiguas, a distintas escalas espaciales y temporales”.

Cluster, al igual que otras misiones de la ESA, está allanando el camino para próximas misiones, como el Explorador del Enlace Viento Solar-Magnetosfera-Ionosfera (SMILE), cuyo lanzamiento está previsto para 2023. SMILE, fruto de la colaboración entre Europa y China, profundizará en la relación Sol-Tierra y se apoyará en el trabajo de Cluster para revelar aún más datos sobre el misterioso y complejo entorno magnético que envuelve nuestro planeta.

“Cluster es una misión emocionante y realmente innovadora, que lleva dos décadas procurándonos todo tipo de información sobre el universo que nos rodea”, concluye Philippe. “Gracias a su diseño único, su durabilidad y sus capacidades avanzadas, Cluster ha desentrañado numerosos misterios sobre el entorno terrestre. Además, sigue muy en forma y, con suerte, seguirá ayudándonos a caracterizar los fenómenos a nuestro alrededor muchos años más”. (Fuente: ESA)