OxySpace: La capa de plasma rica en oxígeno en el entorno de la Tierra: implicaciones para la meteorología espacial.

Este proyecto de investigación se centra en el estudio de los efectos que tiene sobre la magnetosfera el plasma (frío) que escapa de la ionosfera terrestre y trata de responder a la siguiente pregunta: ¿Cómo afectan a la meteorología espacial los iones de oxígeno que surgen de la ionosfera y de las capas altas de la atmósfera? La ionosfera es una de las mayores fuentes de plasma magnetosférico, junto con el viento solar, y su contribución relativa cambia con el tiempo y depende del estado de la magnetosfera y el viento solar (e.g. tormentas y subtormentas solares). Se investigarán la dinámica la dinámica de los plasmas originados en la ionosfera a lo largo de la magnetosfera teniendo en cuenta los efectos de las variaciones en la magnetosfera y el viento solar. Más concretamente, se pondrá el foco en un población de partículas que no ha sido caracterizada adecuadamente a día de hoy: la "Capa de Plasma Templado" (Warm Plasma Cloak o WPC en inglés). La WPC puede llegar a contener enormes cantidades de iones pesados (O⁺), pero las condiciones para una WPC rica en O⁺ son todavía desconocidas. Por otro lado, el plasma ionosférico tiene la capacidad de modificar las propiedades de la interficie que separa la magnetosfera del viento solar, ya que altera el ritmo al que se produce la reconexión magnética, el principal mecanismo físico que opera entre ambos plasmas. Es de preveer que la WPC pueda tener un papel importante en el acoplamiento entre ambos sistemas, y que los modelos de meteorología espacial mejoren en el momento en que se tengan en cuenta los efectos de la WPC en la magnetosfera. Se investigarán los efectos a micro y meso-escalas que los plasmas con poblaciones frías y templadas puedan tener en el acoplamiento entre la magnetosfera terrestre y el viento solar. Las mediciones in-situ realizadas en diferentes regiones de la magnetosfera serán clave para llevar a cabo este proyecto.

En particular, se utilizarán los más de 6 años de medidas in-situ recogidos por la misión de la NASA "Magnetospheric MultiScale" (MMS) para realizar un estudio estadístico de la prevalencia y los efectos de la capa de plasma templado. Estos datos se complementarán con los de otras misiones como ACE y Wind, con el fin de obtener el contexto sobre las condiciones en el viento solar. En última instancia, se tratará de correlacionar las observaciones de MMS con las del viento solar pristino a 1 unidad astronómica y con la actividad geomagnética en la magnetosfera.

Figura: Regiones de plasma en la magnetosfera interna. Autoría: Chappell et al. 2008

Objectivos:

• Describir la prevalencia y características de la Capa de Plasma Templada, incluyendo periodos con abundancia de O⁺, en base a los más de 6 años de la misión MMS.
• Examinar el efecto en a micro y meso-escalas de la WPC rica en O⁺ sobre la meteorología solar por medio del acoplamiento entre el viento solar y la magnetosfera.

Impacto esperado de los resultados:

Se espera que los hallazgos derivados de este proyecto resultan relevantes para la mejora de las herramientas usadas para el pronóstico del tiempo en meteorología espacial, las cuales aún no tienen en cuenta los efectos de las partículas de origen ionosférico. Por ejemplo, las herramientas de pronóstico basadas en modelos magnetohydrodinámicos (MHD) pueden mejorarse mediante el uso de modelos multi-fluido que tengan en cuenta la contribución del plasmas ionosférico y sus efectos. Por otro lado, las herramientas basadas en modelos empíricos pueden obtener una mejora directa a partir de los resultados de este proyecto, puesto que proveerá de relaciones empíricas entre los parámetros del viento solar, la actividad geomagnética y la capa de plasma templada rica en O⁺. Los avances hechos en este proyecto supondrán la base en la que se cimentarán trabajos futuros que busquen implementar nuestros resultados al pronóstico de la meteorología espacial.

En este proyecto, el sistema de la magnetosfera terrestre es utilizado como un laboratorio natural para estudiar la reconexión magnética. Los resultados que se obtengan tendrán implicaciones importantes tanto para la física de plasmas como para la aplicación a la meteorología espacial. Es más, en un contexto más amplio, la reconexión magnética es un fenómeno ubicuo en los plasmas, esto es, los procesos de reconexión pueden ocurrir en plasmas en multitud de condiciones, como en otras magnetosferas planetarias del sistema solar. Finalmente, la reconexión magnética también tiene lugar en reactores de fusión nuclear como un fenómeno no deseado que impide que el plasma confinado llegue a alcanzar y mantener reacciones de fusión nuclear.

Equipo del proyecto:

• Dr. S. Toledo-Redondo, IP del proyecto (University of Murcia, España)
• V. Montagud-Camps, PostDoc (University of Murcia, España)
• Prof. Mats André (Swedish Institute of Space Physics, Uppsala, Suecia)
• Prof. Stephen A. Fuselier (Southwest Research Institute, Texas)