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Las auroras terrestres se forman cuando las partículas cargadas de la magnetosfera golpean las moléculas de la atmósfera, energizándolas o incluso ionizándolas. Cuando las moléculas se relajan hasta el estado de reposo, emiten un fotón de luz visible de un color característico. Estas partículas que colisionan -en su mayoría electrones- son aceleradas por campos eléctricos localizados paralelos al campo magnético local que se produce en una región que abarca varios radios de la Tierra.
Las misiones de cohetes de sondeo y de naves espaciales que se remontan a la década de 1960 han aportado pruebas de estos campos eléctricos, pero no se ha aceptado ningún mecanismo de formación definitivo. Para discriminar adecuadamente entre una serie de hipótesis, los investigadores necesitan comprender mejor la distribución espacial y temporal y la evolución de estos campos. Cuando la misión Cluster de la Agencia Espacial Europea (ESA) bajó su perigeo en 2008, estas observaciones fueron posibles.
Cluster consta de cuatro naves espaciales idénticas, que vuelan con separaciones que pueden variar de decenas de kilómetros a decenas de miles. Las observaciones simultáneas entre las cuatro naves permiten a los físicos espaciales deducir la estructura 3D del campo eléctrico.
Marklund y Lindqvist recogen y resumen las contribuciones de Cluster a nuestra comprensión de la región de aceleración auroral (AAR), la zona del espacio en la que tienen lugar los procesos descritos anteriormente.
Gracias a la recopilación de un gran número de tránsitos de Cluster a través de esta región, los físicos han deducido que la AAR se encuentra generalmente entre 1 y 4,4 radios terrestres por encima de la superficie, y que la mayor parte de la aceleración tiene lugar en el tercio inferior. A pesar de este "AAR estadístico" relativamente amplio, la región de aceleración en un momento dado suele ser delgada; en una observación, por ejemplo, el AAR se limitó a un rango de altitud de 0,4 radios terrestres, mientras que la capa real era probablemente mucho más delgada que eso. Los autores afirman que las observaciones no pueden determinar de forma exclusiva el grosor de la capa real, que podría ser del orden de 1 kilómetro. Se ha observado que estas estructuras permanecen estables durante minutos.
Las mediciones de los racimos también han arrojado luz sobre la conexión entre la forma observada del potencial de aceleración de los electrones y el entorno de plasma subyacente. Los llamados potenciales en forma de S surgen en presencia de transiciones bruscas de la densidad del plasma, mientras que los que tienen forma de U están relacionados con límites más difusos. Sin embargo, la naturaleza dinámica del plasma espacial significa que la morfología de un límite puede cambiar en escalas de tiempo de minutos, como se ejemplifica en un estudio de caso.
En resumen, dos décadas de observaciones del Cluster han mejorado significativamente nuestra comprensión de los procesos -tanto locales como generales- que dan lugar a las hermosas auroras de nuestro planeta. Con la prórroga de las misiones hasta 2022, podemos esperar más información en los próximos años.
Fuentes, créditos y referencias:
Göran Marklund et al, Cluster Multi‐Probing of the Aurora During Two Decades, Journal of Geophysical Research: Space Physics (2021). DOI: 10.1029/2021JA029497
Imágen: Concepción artística de los satélites Cluster en órbita alrededor de la Tierra. Las cuatro naves espaciales del Cluster suelen operar con separaciones de cientos a miles de kilómetros. Crédito: ESA, CC BY-SA 3.0 IGO