El ser humano conoce, y lleva investigando, el magnetismo terrestre
desde al menos el siglo XVII (gracias a pioneros como Edmund Halley), pero
nadie jamás pensó en lo que los primeros satélites lanzados al espacio
empezaron a mostrar. Era una estructura extraña, como con forma de lágrima, con
una forma y estructura variable, todo manejado por el también recientemente
descubierto viento solar. A esta estructura se le llamó magnetosfera.
Desde entonces, todas las agencias han lanzado un montón de misiones para
estudiar su forma, su dinámica, su interacción con el viento solar, y su
evolución temporal, ya que la magnetosfera de hoy y la de mañana no tienen nada
que ver. La NASA lanzó, desde 1963 hasta 1973, sus célebres Plataformas de
Monitorización Interplanetarias, los satélites IMP. Diseñados en cuatro tandas, fueron
colocados en distintos
puntos del sistema Tierra-Luna (uno incluso entró en órbita lunar),
proporcionando datos ininterrumpidos desde pocos días después del lanzamiento
del primero, hasta la desactivación del último, el 7 de octubre del 2006,
proporcionando mucha y muy valiosa información. Al tiempo que se situaban
alrededor nuestro estos pequeños, la misma agencia comenzó a elevar los seis
satélites de la serie OGO, los
Observatorios Geofísicos Orbitales. Tres fueron colocados en órbitas altamente
elípticas cercanas al ecuador terrestre, y el resto en órbitas polares
cerradas, permitiendo así cubrir desde la ionosfera terrestre hasta el límite
de la magnetosfera en la zona en que colisiona con el
viento solar. A
diferencia de los IMP, los OGO eran satélites enormes, con
estructuras en forma de caja y capaces de transportar, por diseño, entre 30 y
40 experimentos interrelacionados, aunque nunca tal capacidad se usó. Todo este
despliegue no solo se hizo para propósitos científicos, también para servir
como sistema de alarma ante la actividad solar en medio del programa tripulado Apollo a la Luna. También, la incipiente
agencia espacial europea, el ESRO, comenzó a estudiar el entorno cercano a la
Tierra, y diseñó un par de satélites para estudios magnetosféricos que resultan
ser muy interesantes. Los dos HEOS
fueron los primeros vehículos espaciales europeos en salir de la magnetosfera y
entrar en el espacio interplanetario, merced a sus trayectorias altamente
elípticas. El caso es que mientras que el primero fue situado en una órbita más
o menos ecuatorial, el segundo (como el resto de satélites europeos de la
época, fueron lanzados por la NASA, a comienzos de la década de 1970) fue el
primero en situarse en tal trayectoria pero polar, de manera que ambos cubrían
casi toda la magnetosfera desde todas las latitudes. Posteriormente la NASA y
el ESRO se juntaron para formar el proyecto ISEE,
los Exploradores Sol-Tierra Internacionales. Constaba de tres vehículos, dos
diseñados por la NASA (los números 1 y 3), mientras que la segunda corría a
cargo
del ESRO. La intención era colocar los dos primeros en órbita elíptica
terrestre para estudiar fenómenos magnetosféricos en una escala espacial
pequeña y en una escala temporal corta. Los dos primeros se lanzaron en 1977, y
el tercero, un vehículo innovador (que todavía funciona, por cierto, ya que ha
sido rehabilitado recientemente) que fue el primero en entrar en órbita en
torno al punto de Lagrange 1 en 1978, para así servir como sistema de alerta
temprana (más o menos una hora en avance) para así reprogramar a los otros dos
para estudiar más adecuadamente los fenómenos magnetosféricos resultantes de la
actividad solar. Esta experiencia permitió a la ESA (ya como tal desde 1975)
aprobar en 1986 la propuesta de misión Cluster,
presentada 4 años antes. Este proyecto (que junto con SOHO eran las misiones principales de la rama de física solar y
terrestre del programa Horizon 2000) resultaba altamente innovador, ya que por
primera vez proponía investigar la magnetosfera con cuatro satélites idénticos
en todo. Mientras estos se preparaban, la NASA ya había lanzado en 1981 los dos
satélites clase Explorer Dynamics
Explorer, preparados para investigar la reacción de la alta atmósfera a los
eventos magnetosféricos,
que muchos de ellos provocan las brillantes auroras.
Situados en órbitas coplanares (trayectorias que comparten casi todos los
parámetros, tales como inclinación o perigeo, pero con distintos apogeos) el
primero de ellos realizaba las investigaciones magnetosféricas, mientras que el
segundo se ocupó de las atmosféricas. Cuando el segundo reentró (según lo
previsto, en febrero de 1983) el primero continuó tomando mediciones hasta
1991. Sin embargo, lo interesante del concepto Cluster, de cuatro satélites al mismo tiempo en una región concreta
de la magnetosfera, prometía mostrar la evolución magnetosférica prácticamente
en tres dimensiones. Por desgracia, cometieron la locura de insertar los cuatro
satélites dentro de la cofia del primer Ariane
5 que, en 1996, acabó explotando. Dada la altísima prioridad de este
proyecto, se autorizó rápidamente la construcción de cuatro satélites idénticos
a los perdidos, y para no arriesgar, se
lanzarían empleando lanzadores rusos Soyuz de dos en dos, hecho que se
produjo entre julio y agosto del año 2000. Pero todavía más notable fue la
incorporación de los dos satélites TC-1
(elevado a una trayectoria ecuatorial en diciembre del 2003) y TC-2 (situado en órbita polar en julio
del 2004) que daban forma a la misión conjunta de la ESA con China Double Star, y que transportaban algunos
de los repuestos de varios instrumentos de los satélites Cluster. Añadidos a la constelación hasta que fueron desactivados
en el 2007, proporcionaron dos nuevos e interesantes puntos de vista que
incrementar los datos sobre la variabilidad de la magnetosfera. Con casi 15
años desde su lanzamiento, y todavía funcionando y proporcionando lo que ningún
otro proyecto ha sido capaz antes, siguen siendo nuestro mejor recurso para
vigilar lo que acontece en nuestro escudo protector. Eso sí, ya van pidiendo el
relevo.
El Departamento de Heliofísica de la NASA dispone de varios programas
de investigación. El que nos interesa es el Programa de Sondas Solares y Terrestres
o STP, que trata de estudiar las interacciones Sol-Tierra como un sistema unido
usando tanto satélites terrestres como sondas espaciales. La primera misión, de
órbita terrestre, es el veterano TIMED,
que después de unos 13 años desde su lanzamiento el 7 de diciembre del 2001,
continúa trabajando y haciendo una investigación hasta la fecha única,
vigilando con sus 4 instrumentos y desde su trayectoria a unos 625 km. de
altitud las capas más externas y menos investigadas de nuestra atmósfera, la
termosfera, la ionosfera y la mesosfera, que son las más propensas a
variaciones a consecuencia de la deposición de la energía solar en nuestra
atmósfera. A esta misión se le sumaron otras dos en el 2006. Primero, en
septiembre, el satélite de
observación solar japonés Hinode, equipado con instrumentación proporcionada por la NASA, de
ahí que esté adscrita a este programa. Con el propósito de explorar la
interacción entre el campo magnético solar y su corona, cuenta con telescopios
óptico, de ultravioleta extremo y rayos X. Después, en octubre, la NASA ponía
en el espacio a las sondas solares STEREO,
dos observatorios casi gemelos con la misión de estudiar en tres dimensiones
todo tipo de actividad solar, principalmente las eyecciones de masa coronal, o
CME’s. Situadas en órbitas heliocéntricas similares a la de la propia Tierra
(una por delante, una por detrás), se han ido alejando progresivamente de
nosotros permitiéndonos, por primera vez, monitorizar todo el Sol gracias al
resto de misiones que en conjunto mantienen vigilada nuestra
estrella. Ambas
sondas están a punto de desaparecer detrás de Helios (recientemente se ha
perdido la comunicación con STEREO-Behind)
y así comenzar una nueva etapa de su misión. Así, después de casi 9 años sin
lanzar una nueva misión, el programa STP está casi listo para enviar un nuevo
proyecto al espacio.
La magnetosfera terrestre es uno de esos laboratorios naturales más
grandes que tenemos, ya que lo que en ella estudiamos no lo podemos replicar
aquí abajo. Existen muchos fenómenos energéticos, pero hay uno que hasta la
fecha se nos ha escapado para poder estudiarlo apropiadamente. Se le conoce
como reconexión magnética, y se produce en las llamadas regiones de difusión de
electrones, localizadas en la magnetopausa diurna (la zona en la que los campos
magnéticos solares y terrestres se equiparan) y en la magnetocola (la estructura
en forma de cola generada por la presión del viento solar que se extiende
grandes distancias más allá de los planetas). Pero, exactamente, ¿qué es la
reconexión magnética? Pues por lo que se sabe, la transformación,
frecuentemente de forma explosiva, de la energía que transportan las líneas de
los campos magnéticos, en calor y energía cinética en forma de partículas
cargadas y flujos de materia a gran escala, responsables en gran medida de los
eventos de meteorología espacial y de las propias auroras. Para poder predecir
los eventos de meteorología espacial (que proyectos como Van Allen Probes estudian con precisión) que afectan a los
satélites, redes de energía y comunicaciones, así como a la navegación por
satélite, es necesario obtener más información y estudiar fenómenos como la
reconexión magnética. El reto sobre este fenómeno es que sucede en zonas de la
magnetosfera muy pequeños y duran muy poco, de manera que se necesitan
satélites con instrumentos que cuenten con una resolución y exactitud sin precedentes.
La Misión Magnetosférica Multiescala, o MMS, ha sido creada siguiendo en cierta medida el espíritu Cluster, ya que ha demostrado que es la
mejor y más eficiente forma de examinar eventos magnetosféricos. Específicamente
diseñadas para el estudio de la reconexión magnética, posee la instrumentación
adecuada para ello, y ésta está emplazada en una plataforma muy avanzada que
requerirá en principio poca atención. MMS
se basa en cuatro (originalmente 5) satélites idénticos equipados de manera
idéntica que estarán dispuestos en el espacio a distancias ajustables los unos
de los otros para así cubrir mejor las regiones magnetosféricas y los fenómenos
a investigar. Con forma de octógonos planos, con unas medidas de 3.15 de largo
y 1.23 de alto (sin contar con los mástiles y las antenas de los instrumentos),
cada satélite idéntico está elaborado en aluminio y con una distribución de
masas
equilibrada para permitir una plataforma altamente estable en rotación.
Todo el hardware está situado alrededor del extremo exterior de cada satélite,
dejando el interior a los cuatro tanques de combustible. En el centro se
encuentran los adaptadores de unión entre los satélites, para así permitir la
separación una vez la etapa superior del lanzador ha cumplido su función. Gran
parte del hardware de control es la ya típica de las misiones de la NASA, desde
el ordenador, sistemas de control de actitud, generación de energía,
comunicaciones y propulsión. Así, mientras el ordenador está estructurado
alrededor de un procesador RAD750, la radio emite en banda-S
bidireccionalmente. Cada satélite estará estabilizado por rotación, a un ratio
de al menos 3 rpm, empleando para su control dos sensores solares, cuatro escáneres
estelares, dos acelerómetros triaxiales y los 12 propulsores de a bordo. Está
diseñado para mantenerse prácticamente en el plano de la eclíptica, permitiendo
sin embargo pequeñas desviaciones no mayores a 5 grados. Sin duda lo más
interesante es la adopción de receptores GPS (ocho antenas por satélite) de
última tecnología. Llamado Navigator, se ha diseñado para ejecutar maniobras
autónomamente calculando la distancia entre los cuatro satélites ya que estarán
en contacto continuo los unos con los otros. De esta forma, a partir de
Navigator, conocerá su posición en órbita terrestre, distancia con los otros
satélites de la formación y cálculo de las maniobras para mantener la
disposición. La generación energética depende del Sol, contando con células
solares a la última situadas alrededor de los laterales de cada satélite. Son 8
los paneles solares por cada satélite, que proporcionarán la energía necesaria
para trabajar, además de cargar la batería de a bordo. El control termal es el
habitual: calentadores, mantas multicapa y radiadores, y en las partes superior
e inferior dentro de los planos de separación cuentan además con escudos
antimeteoritos. La instrumentación está formada por 10 experimentos,
totalizando 25 sensores, divididos en tres paquetes. El Juego de Plasma Caliente comprende dos
instrumentos. FPI, Investigación de Plasma Rápido, pretende estudiar el plasma
de rápido movimiento, y para ello cuenta con cuatro espectrómetros duales de
iones y lo mismo para electrones, cada uno con una visión en arco de 45º, para
así obtener una imagen completa y tridimensional del plasma. En esencia lo que
hace es recibir, desde la apertura y empleando un filtro, partículas de cierto
tipo, cierta velocidad y cierta
dirección, dirigiéndolas a una placa detectora en donde colisionan, provocando
un torrente de varios millones de electrones provenientes de la dirección
opuesta, permitiendo así al sistema detectar el fenómeno, tardando en
ello
apenas varios nanosegundos. De esta forma, FPI está diseñado para medir
electrones e iones, y mediante el filtrado por sus energías específicas, medir
la cantidad de partículas de cada tipo que entra en el aparato desde todo tipo
de direcciones y con energías diferentes durante una extensión de tiempo muy
determinada, generando una imagen de los iones del plasma cada 150 milisegundos
y de los electrones del plasma cada 30. HPCA, Analizador de Composición del
Plasma Caliente, es un tipo novedoso de espectrómetro de masa que emplea el
tiempo que tarda una partícula en viajar dentro del instrumento para averiguar
la velocidad, y a partir de ello, la masa, dándonos con ello el tipo. Para ello
usa una lámina de carbono en la entrada para extraer un electrón, ionizando la
partícula, que acaba golpeando una placa de parada. Para medir el tiempo que
tarda en hacer el recorrido, la extracción del electrón en la apertura del HPCA
genera una señal de tiempo que es la que emplea el aparato para completar su
medición. No es tan rápido como FPI, realiza las mediciones una vez cada 10
segundos, y emplea la rotación del satélite para barrer todo el espacio alrededor
suyo, por lo que solo se necesita un aparato por vehículo. Además, dispone de
una capacidad nunca antes puesta en el espacio. Tras un montón de años de
experiencia con aparatos similares, se ha visto que los protones
provenientes
del viento solar abrumaban los sensores evitando la detección de ciertas
partículas almacenadas en la magnetosfera, como el oxígeno magnetosférico. Sin
embargo, HPCA emplea en su apertura oscilaciones de radio frecuencia para
barrer la mayoría de protones del viento solar del instrumento, para así hacer
mediciones más claras. El segundo paquete, Juego Detector de Partículas
Cargadas o EPD, también comprende 2 instrumentos. FEEPS, Sensor de Partículas
Energéticas de Ojo de Mosca. Emplea dos aparatos idénticos en cada satélite,
totalizando 18 campos de visión simultáneos y distintos, empleando detectores
de silicio de estado sólido, todo para estudiar todo el cielo en busca de la
cantidad de electrones de distintas energías y diferentes direcciones de
llegada que hay en su entorno. Para ello, los detectores se diseñaron unos para
detectar iones y otros para electrones, y estos últimos disponen en su apertura
con una lámina de aluminio de 2 micrones de grosor para evitar así la entrada
de iones. Por su parte, los diseñados para detectar iones son tan delgados que
así evitan que los electrones, cuando pasen, provoquen una señal legible en la
telemetría. EIS, Espectrómetro de iones energéticos, pretende ir más allá que
HPCA. También emplea detectores de estado sólido, y el principio de medición es
similar el de HPCA, contar el tiempo que tarda la partícula en viajar dentro
del instrumento para hacer el análisis de masa. Cuando un ion entra en el
instrumento, primero tiene que pasar por uno de los detectores, desviando
varios electrones hasta una placa detectora microcanal, que amplifica la señal
y envía 1 millón de electrones hacia el otro lado, y ocurre lo mismo al golpear
la segunda lámina. Los cálculos de tiempo que se cuentan son los de las placas
microcanal, y a partir de ellos se averigua la velocidad de la partícula, y a
partir de ello, la energía total y la masa, tratando de descubrir protones o
iones de helio y oxígeno, y todo esto lo hará, en combinación con FEEPS, a 1/3
de la rotación del satélite, la cadencia necesaria en los lugares en los que
sucede la reconexión magnética. Y el tercer paquete es el Juego de Campos,
que
comprende seis aparatos. Los AFG y DFG, Magnetómetros de Núcleo Saturado
Analógicos y Digitales, se utilizarán para detectar y medir los campos
magnéticos alrededor de los satélites, y el empleo de dos tipos distintos
permitirá que ambos comparen sus mediciones sobre la fuerza del campo magnético
hasta niveles muy bajos. Ambos sensores están colocados al final de los dos
mástiles de 5 metros de largo que se prolongan desde localizaciones
diametralmente opuestas. EDI,
Instrumento de Deriva de Electrones, se empleará para estudiar campos tanto
eléctricos como magnéticos. Consiste en un par de Unidades Detectoras de
Pistola. En modo de detección de campos magnéticos, una de las unidades emite
electrones que quedan atrapados en una línea de campo magnético, haciendo
círculos casi completos, separándose casi un km. del satélite antes de volver y
ser atrapado por el segundo detector. Midiendo el tiempo entre la emisión y la
recepción, se puede calcular la fuerza del campo magnético por el que ha
viajado. Cuando se trata de analizar campos eléctricos, la técnica es similar,
pero en vez de seguir círculos, los electrones derivan de formas predecibles, y
a partir de esas derivaciones, medir la fuerza de los campos eléctricos. Esta
técnica se estrenó en el cuarteto Cluster,
solo que llevado a un nivel superior en velocidad, y sobre todo en precisión,
que es para lo que se han diseñado. Aunque diseñados para ser instrumentos
activos, también tienen un modo pasivo, en el que reciben los electrones que
existen en su entorno y así analizarlos. Y todo esto, a un ratios de hasta 1000
veces por segundo. Los SDP y ADP, Sonda Doble del plano de Rotación y Sonda
Doble Axial, están diseñados para medir campos eléctricos. Para ello emplearán
un par de electrodos para detectar los cambios que hay en ellos. Sin embargo,
estos cambios son tan pequeños que para sentirlos fiablemente hay que separar
los electrodos todo lo posible entre ellos. Así, los SDP están al final de
cuatro antenas de 60 metros de largo que nacen desde el centro del satélite,
cubriendo así el plano de rotación. Por su parte, los dos ADP nacen
perpendiculares al plano de rotación, y miden cada uno 14.75 metros de largo.
Además, usará las mediciones de EDI para calibrar las suyas propias. Y para
acabar, el SCM, Magnetómetro de Bobina de Búsqueda, un sistema de inducción
(una bobina de cable alrededor de un material ferromagnético) que usará un
campo magnético cambiante para inducir un cambio de voltaje en la bobina. De
esta forma, se usa el cambio de voltaje en el magnetómetro para medir cómo
cambia el campo magnético. Su posición está en el segundo mástil de los
magnetómetros el mismo que el del AFG. Para controlar los seis aparatos de este
paquete, y calibrarse en conjunto, está la Caja de Electrónicas, permitiendo
así coordinar, adquirir y transmitir la información de los sensores al
ordenador central. Sin embargo, un dispositivo centralizado de control, el CIDP,
Procesador Central de Datos de los Instrumentos, es el verdadero interfaz entre
los tres paquetes y el ordenador principal. Para acabar, hablar del instrumento
de control a bordo de los cuatro satélites MMS.
La experiencia de más de 50 años de mediciones de partículas y campos demostró
que la emisión solar de ultravioleta extremo sobre las superficies de los
satélites provoca la emisión de partículas energéticas, elevando el potencial
positivo de un satélite, provocando con ello una suerte de capa de partículas
que previene que los instrumentos midan todo lo que deben. Para mitigarlo, se
desarrollaron los sistemas ASPOC, los Controles Activos del Potencial del
Satélite, que cada satélite MMS porta
dos de ellos. Para reducir el potencial de un satélite, ASPOC emite un haz de
iones para bajar la cantidad de partículas que pueden contaminar las lecturas y
así reducir el potencial positivo alrededor de ellos. Esta técnica se demostró
en el satélite Geotail, y es parte
importante de la misión Cluster. A
plena carga en el momento del lanzamiento, cada satélite desplaza una masa de 1.250
kg. Con los cuatro satélites apilados uno sobre otro, el conjunto mide 5.9
metros de largo, y dan un peso en báscula de 5.000 kg.
Una vez acabe el periodo de puesta a punto y comprobaciones, los
cuatro satélites se establecerán en una configuración piramidal de distancias
variables entre ellos, para tratar de captar los procesos de la reconexión
magnética en detalle. La primera parte de la misión ocurrirá en el lado solar
terrestre, cerca de la onda de choque entre el viento solar y la magnetosfera.
En esta zona la investigación se centra en el intercambio de energía entre los
campos magnéticos solar y terrestre. Cuando sus órbitas deriven hasta un punto
en el que su apogeo esté dentro de la magnetocola terrestre, indagará en el
contacto de las líneas del campo magnético terrestre que se retuercen entre sí
liberando tremendas cantidades de energía. De esta forma, ya sea delante o
detrás de la Tierra, el cuarteto MMS
pasará sobre las regiones de reconexión magnética en apenas un segundo, siendo
capaces de recoger información a ratios 100 veces superiores a lo que se puede
actualmente. Los propósitos con que se lanza esta misión son seis: ¿qué
condiciones determinan cuando se inicia y cuando cesa la reconexión?; ¿qué
determina el ratio al que ocurre la reconexión?; ¿Cuál es la
estructura de la
reconexión?; ¿cómo se desmagnetiza el plasma en la región de reconexión?; ¿cuál
es el papel de las turbulencias en el proceso de reconexión?; y ¿cómo la
reconexión acelera partículas a altas energías? Con la información que tomen,
serán capaces de ver si la reconexión ocurre en zonas aisladas, en una gran
región al mismo tiempo o viajando a través del espacio. Como la reconexión
magnética se da en todos los cuerpos con campos magnéticos, usar el terrestre
es una solución económica de demostrar teorías aplicables a fenómenos cósmicos
que todavía no entendemos.
No los podemos ver, ni oír, ni saborear, pero con misiones como MMS, podemos sentir los campos
magnéticos que se dan en torno nuestro y el montón de fenómenos que allí arriba
se producen. Desde aquí, toda la suerte del mundo.
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