Els mecanismes magnetosfèrics de les erupcions d’aurora

Meteorologia: Ara és temps de viatges, de visitar països exòtics. Els viatgers tornen a la nostra vella Mediterrània amb històries no gaire dissimilars a la dels viatgers mediterranis d’altres èpoques. Els uns ens expliquen el fenomen de les marees i com hi van perdre una tovallola. Els altres ens diuen que als països australs el sol surt per la dreta i es posa per l’esquerra, i és probable que més d’un hi passi un fred impensat en mig de l’hivern argentí. Els que viatgen al nord, al país dels hiperboris, ens expliquen rondalles de l’estat de benestar, de la socialdemocràcia sueca i de la bellesa escandinava. Però també sovint s’aturen a explicar-nos coses de les llums del nord. En l’actualitat sabem que les llums del nord (i del sud) són la plasmació de tempestes magnètiques en els cels de les localitats amb latituds més pronunciades. Si s’hi veuen de nit és perquè de dia la llum solar les ennuega. Aquests fenòmens són estudiats per un conjunt de cinc satèl·lits anomenats col·lectivament Themis (Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms). Un article que es publicarà properament a Science ens explica, a partir de les dades de Themis com les grans erupcions de les aurores s’originen a partir de l’energia acumulada en la cua magnètica de la Terra arran del bombardeig continu del vent solar.

Les llums del nord o aurora boreal

El nom de llum del nord o d’aurora boreal són noms una mica enganyosos. Aquests fenòmens també apareixen en l’hemisferi sud, sense que hom parli generalment de llum del sud o d’aurora austral. D’altra banda, si aquests fenòmens són més visibles en les latituds polars i subpolars, també poden observar-se, en determinades condicions, en latituds mitjanes (fins a 50 o 40º de latitud). I si es veuen més en les latituds extremes és justament perquè és en aquestes regions on la magnetosfera de la Terra és més prima. Per tot això, el nom més emprat en l’actualitat és el d’aurora. Ara bé, l’aurora és el nom llatí originari per un altre fenomen, el de les llums de l’albada. Per això, i per precisar, es pot parlar d’aurora astronòmica (en el sentit que no és un fenomen troposfèric) o d’aurora magnètica (en el sentit del seu origen).

L’aurora magnètica no és patrimoni de les latituds polars. Aquesta imatge, de Samuel Blanc, fou obtinguda a l’Antàrtida, la tardor-hivern del 2006.

L’aurora magnètica es genera en la ionosfera, com a conseqüència de col·lisions d’electrons (i, en menor mesura protons i d’altres ions) de la magnetosfera amb àtoms i molècules de l’atmosfera.

En verd fosc tenim la localització de la ionosfera. En aquesta capa es produeix la màxima ionització de les partícules atmosfèriques com a conseqüència de la radiació solar.

Si l’atmosfera terrestre es considera acabada a 100 km per damunt de la superfície planetària (per bé que l’exosfera, segons alguns paràmetres, continua fins a 500-10.000 km d’alçada), la magnetosfera terrestre, en canvi, té el seu límit més baix (en direcció al Sol) a uns 70.000 km i el límit superior (en la direcció oposada al Sol) a uns 1.200.000 km (de forma que la Lluna plena, en determinades lunacions hi pot caure de ple).

L’existència d’un camp magnètic a la Terra (cosa única en el Sistema Solar Interior, amb l’excepció de Mercuri) genera una magnetosfera que limita i es veu limitada pel vent solar (a dalt). També el camp magnètic solar troba la seva terminació quan el vent solar es veu superat per les partícules interestel·lars. El moviment del Sol respecte de l’espai interestel·lar és responsable que el camp magnètic solar, com el de la Terra, presenti una llarga cua (a sota).

El color de l’aurora depèn de les molècules i àtoms atmosfèrics que hagin estat excitats. Així, l’oxigen atòmic excitat emet, quan torna al repòs, una radiació vermella o verda, i verdes són la majoria d’aurores. El nitrogen atòmic i el molecular emeten una mica en la banda del vermell però sobretot en el blau-violat. La morfologia de les aurores depèn de la direcció de les partícules magnetosfèriques originàries. Així podem veure una llum difusa, però també cortines (en direcció est-oest), i les estructures poden ser relativament estables o bé poden trobar-se en constant canvi.

Les aurores són més freqüents en els moments de pic del cicle solar (el moment de màxima presència de taques solars). D’any en any es concentren més al voltant dels equinoccis que no dels solsticis. En mesurar la probabilitat d’observar-la segons la latitud, no ens hem de fixar en els coordenades polars geogràfiques sinó en les que deriven dels pols magnètics. El pol magnètic nord es troba en l’actualitat al nord de Nord-Amèrica i això explica perquè a latituds relativament baixes de Nord-amèrica hom observa aurores. Gradualment, però, el pol magnètic nord es desplaça en direcció a Sibèria.

El concepte d’oratge espacial

Mitjançant brúixoles, el 1741, Olof Hiorter i Anders Celsius observaren que les aurores són un fenomen magnètic. La Gran Aurora que es va registrar entre el 28 d’agost i el 2 de setembre del 1859, fou aprofitada excel·lentment per Elias Loomis per posar les bases de l’explicació elèctrica i magnètica de l’aurora.

La Gran Aurora del 1859 fou la conseqüència directa d’una de les més grans flamarades solars que s’hagin emès en la història recent. D’aquesta forma hi ha una relació directa entre les oscil·lacions del vent solar, els fluxos de la magnetosfera terrestre i les aurores produïdes en la ionosfera. De la mateixa forma que l’heliosfera (magnetosfera solar) ens protegeix dels embats interestel·lars, la magnetosfera terrestre ens protegeix de flamarades i erupcions de vent solar. La comprensió d’aquests fenòmens ha fet que en les dècades recents hagi circular el concepte d’oratge espacial o de meteorologia solar. SpaceWeather.com, per exemple, recull informació del "Sun-Earth environment", la qual cosa inclou el report de taques solars (0 en aquests moments, car ens trobem en les hores més baixes del cicle solar d’11 anys), de forats de la corona solar (també ben inactius a hores d’ara), la força fluctuants dels camps magnètics solar (=interplanetari) i terrestre, l’oval d’aurores i les aurores pròpiament dites (amb prediccions reeixides d’alta activitat com la del passat 12 de juliol). En un to similar SolarCycle24.com ens informa de l’activitat solar i de les aurores i, en particular, de si arrenca o no arrenca un nou cicle de taques solars que sembla que es fa esperar un poc massa. És curiós que això del cicle solar s’hagi carregat políticament en els darrers mesos. De la mateixa forma que els "blogs conservadors" ataquen periòdicament les proves en favor de l’existència d’un escalfament atmosfèric d’origen antropogènic, pels "blogs progressistes" parlar del "solar weather" i de les seves fluctuacions sembla que posa una mica nerviós, ja que el "negacionisme" del canvi climàtic s’aferra a arguments d’activitat solar.

Encara que sovint s’oblida, l’oratge espacial no s’atura en la dinàmica magnètica Sol-Terra, sinó que també ha d’incloure informació sobre flamarades estel·lars i explosions de radiació gamma (GRB). Recordem, per exemple, la GRB que afectà el nostre sistema solar el 27 de desembre del 2004 i que afectà a la navegació de, si més no, una sonda interplanetària. La font d’aquella GRB, és un magnestel (l’estel de neutrons SGR 1806-20) situat a 50.000 anys-llum! De vegades aquests fenòmens s’apleguen sota l’epígraf "oratge interestel·lar". Més enllà encara podríem parlar d’"oratge intergalàctic", encara que això fa més aviat referència a les condicions del medi intergalàctic, la radiació d’electrons en particular.

La missió Themis

Tornem, però, a la Terra. Fou des del cosmòdrom de Cap Canaveral que el 17 de febrer del 2007 eren posats en òrbita, simultàniament, els cinc satèl·lits artificials del projecte Themis. La missió porta aquest nom en record de la dea filla del Cel i de la Terra, considerada dea de la justícia i de la llum. Alhora, Themis també és l’acrònim, un xic forçat, de Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms (història temporal d’esdeveniments i interaccions a gran escala durant les sots-tempestes). Mentre que les tempestes geomagnètiques impliquen disrupcions a gran escala de la magnetosfera terrestre, les sots-tempestes són esdeveniments més localitzats, però alhora més freqüents. A banda de l’interès que per elles mateixes tenen les sots-tempestes magnètiques, hem d’afegir que el seu estudi contribueix al coneixement de l’estructura i dinàmica del camp geomagnètic. Al llarg d’aquests mesos s’ha aprofitat la diferent localització dels cinc satèl·lits per tindre una major perspectiva i, alhora, en adoptar òrbites més i més altes s’ha pogut estudiar com mai abans la cua magnètica de la Terra.

La formació de sots-tempestes magnètiques

Les sots-tempestes són al darrera de les exhibicions d’aurores com les viscudes a les regions polars i subpolars de l’hemisferi nord el passat 12 de juliol.

En el seu article a Science, Vassilis Angelopoulos et al., ens ofereixen una panoràmica de la formació i efectes de les sots-tempestes. Primer de tot, cal tindre present l’estructura i la dinàmica de la cua geomagnètica. Aquesta cua és el resultat de l’ombra que projecta el camp geomagnètic com a conseqüència del vent solar. Per això la cua geomagnètica segueix la mateixa direcció que l’ombra lluminosa (l’hemisferi nocturn) de la Terra. La cua té unes dimensions considerables. Arrenca com un cilindre d’uns 250.000 km de diàmetre, i es perllonga amb aquest mateix diàmetre fins a més enllà d’un milió de quilòmetres de la Terra (la Lluna, en comparació, s’hi troba a 380.000 km). No obstant això, la cua pot trencar-se com a conseqüència d’un vent solar més intens. La regió trencada rep el nom de plasmoid i, eventualment, pot desfer-se o bé reconnectar-se amb el cos principal de la magnetosfera. És aquesta reconnexió la que desencadena, segons Angelopoulos et al., la sots-tempesta.

Vist d’una altra manera, podem dir que la magnetocua terrestre emmagatzema progressivament energia procedent del vent solar per després alliberar-la de forma explosiva en forma de magneto-tempesta. Aquesta reconnexió es produeix típicament a uns 120.000-180.000 km de la Terra. Les dades de la Themis semblen descartar la participació d’un mecanisme alternatiu, la disrupció del corrent elèctric en la cua magnètica (a una alçada de 60.000 km).

Els cinc satèl·lits Themis, des de finals de l’any passat, han seguit òrbites diverses. El més interior s’ha situat a una distància de 60.000 km, i el més exterior a 200.000 km. Les mesures magnètiques comprovaven que les interrupcions de la cua magnètica es produeixen sovint a 100.000-200.000 km de distància respecte de la Terra. Quan, eventualment, la cua reconnecta es desencadenen els fenòmens coneguts com a sots-tempestes, els quals alimenten durant una o més nits un pic en la intensitat i abast de les aurores.

Lligams:

Tail Reconnection Triggering Substorm Onset. Vassilis Angelopoulos, James P. McFadden, Davin Larson, Charles W. Carlson, Stephen B. Mende, Harald Frey, Tai Phan, David G. Sibeck, Karl-Heinz Glassmeier, Uli Auster, Eric Donovan, Ian R. Mann, I. Jonathan Rae, Christopher T. Russell, Andrei Runov, Xu-Zhi Zhou, Larry Kepko. Science DOI: 10.1126/science.1160495.

THEMIS Satellites Discover What Triggers Eruptions of the Northern Lights, nota de premsa de la NASA.

Aquesta entrada ha esta publicada en General. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà. Els camps necessaris estan marcats amb *

Aquest lloc utilitza Akismet per reduir el correu brossa. Aprendre com la informació del vostre comentari és processada