La medición más antigua de la magnetosfera revela que el Sol y la Tierra se disputan nuestra atmósfera

Los hallazgos presentados en la revista Science, sugieren que la magnetopausa -el límite donde el campo magnético de la Tierra desvía exitosamente el viento solar proveniente de nuestro Sol- estaba a mitad de distancia de lo que está hoy en día.
Izquierda: Representación artística del viento solar interactuando con el campo magnético de la Tierra. Crédito: NASA.
"Con una magnetosfera débil y un Sol joven de rápida rotación, la Tierra estaba recibiendo probablemente tantos protones solares en promedio cada día como los que recibimos hoy durante una tormenta solar severa," dijo John Tarduno, un geofísico de la Universidad de Rochester y autor principal del estudio. "Eso significa que era mucho más probable que las partículas saliendo del Sol llegaran a la Tierra. Es muy probable que el viento solar estaba removiendo moléculas volátiles, como hidrógeno, de la atmósfera a una tasa más grande de la que tenemos hoy." Tarduno dice que la pérdida de hidrógeno implica además la pérdida de agua, lo que significa que puede haber mucha menor agua hoy en día que en el pasado.
Para hallar el poder del campo magnético antiguo, Tarduno y sus colegas de la Universidad de KwaZulu-Natal visitaron sitios en África que eran conocidos por tener rocas con edades de 3 mil millones de años. Pero aún así, no serviría estudiar cualquier roca de esa edad. Ciertas rocas ígneas llamadas dacitas contienen pequeños cristales milimétricos de cuarzo, que al mismo tiempo tienen pequeñas inclusiones magnéticas nanométricas. La magnetización de estas inclusiones actúan como brújulas diminutas, guardando un registro del campo magnético de la Tierra cuando la dacita se enfrío desde el magma fundido a roca sólida. Hallar rocas de esta edad es difícil, pero al mismo tiempo esas rocas han sido testigos por miles de millones de años de actividad geológica que podría haberlas recalentado y posiblemente cambiado su registro magnético interno. Para reducir esta posibilidad de contaminación, Tarduno eligió los granos mejor conservados de feldespato y cuarzo de afloramientos de dacita de 3,5 mil millones de años en Sudáfrica.
Izquierda: John Tarduno y Albrecht Hofmann en las Montañas Barberton, donde se encontraron las rocas de 3,5 mil millones de años. Crédito: Universidad de Rochester.
Para complicar más la investigación, el efecto del viento solar interactuando con la atmósfera puede inducir un campo magnético en sí mismo, así que incluso si Tarduno halló una roca que fue alterada en 3,5 mil millones de años, tiene que asegurarse que el registro magnético que contenía fue generado por el núcleo de la Tierra y no por el viento solar.
Una vez que aisló los cristales ideales, Tarduno usó un dispositivo denominado Dispositivo Superconductor de Interfase Quantum, o simplemente magnetómetro SQUID, el cual es normalmente usado para resolver problemas de chips de computadora porque es extremadamente sensible a los campos magnéticos más pequeños. Tarduno fue pionero en el uso dea análsis de cristales individuales usando magnetómetros SQUID. Sin embargo, para este estudio, incluso los magnetómestros SQUID estándares, carecían de la sensibilidad necesaria. Tarduno fue capaz de emplear un nuevo magnetómetro, el cual posee sensosres más cercanos a la muestra que en instrumentos previos.
Al usar el nuevo magnetómetro, Tarduno, el investigador científico Rory Cottrell y estudiantes de la Universidad de Rochester fueron capaces de confirmar que los cristales de silicatos de 3,5 mil millones de años habían registrado un campo mucho más fuerte para ser inducido por la intereacción del viento solar y la atmósfera, por lo que debe haber sido generado por el núcleo de la Tierra.
"Obtuvimos una idea bastante sólida de cuán fuerte era el campo de la Tierra en ese entonces, pero sabíamos que eso era sólo la mitad de la historia," dice Tarduno. "Necesitábamos comprender cuánto viento solar estaba desviando ese campo magnético porque eso nos diría lo que estaba pasando probablemente con la atmósfera de la Tierra."
El viento solar puede despojar a un planeta de su atmósfera y bañar su superficie en radiación letal. Tarduno señala que Marte es un ejemplo de un planeta que probablemente perdió su magnetósfera en su historia temprana, permitiendo que el bombardeo de viento solar erosionara lentamente su atmósfera. Para descubrir qué tipo de viento solar tuvo que enfrentar la Tierra, Tarduno empleó la ayuda de Eric Mamajek, profesor asistente de física y astronomía en la Universidad de Rochester.
"Hay una fuerte correlación entre cuán viejo es una estrella como el Sol y la cantidad de materia que arroja como viento solar," dijo Mamajek "Al juzgar por la rotación y actividad que esperamos de nuestro Sol a mil millones de años de edad, pensamos que estaba arrojando material a una tasa de cerca de 100 veces superior al la tasa promedio observada en tiempos modernos."
Mientras el ciclo de la vida de las estrellas como nuestro Sol es bien conocido, los astrofísicos sólo tienen un puñado de estrellas para las cuales conocen la cantidad de masa perdida como viento solar. Mamajek afirma que la cantidad de rayos-X emitidos desde una estrella, más allá de su brillo aparente, puede servir como una buena estimación de cuánto material está expulsando como viento solar. El Sol a esta edad sería probablemente cerca de 23% más débil que lo que nos luciría hoy en día, porque estaba emitiendo mucha más radiación en forma de rayos-X y produciendo un viento solar más intenso.
"Estimamos que el viento solar en ese momento era un par de unidades de magnitud más intensa," dice Mamajek. "Con la magnetosfera más débil de la Tierra, el punto de contacto de ambos probablemente estaba ubicado a menos de cinco radios terrestres. Eso es menos de la mitad de los 10,7 radios de hoy."
Tarduno dice que además de la magnetosfera más pequeña permitiendo que el viento solar extraiga más vapor de agua de la Tierra primitiva, los cielos podrían haber tenido auroras polares más intensas. El campo magnético de la Tierra se inclina hacia la vertical en los polos y allí canaliza el viento solar hacia la superficie de la Tierra. Cuando el viento solar golpea la atmósfera, emite protones que aparecen como patrones de luz corredizos en la noche.
Con la magnetósfera debilitada, el área donde el viento solar es canalizado hacia la superficie habría sido tres veces más grande de lo que es hoy en día, afirma Tarduno.
"En una noche normal hace 3,5 mil millones de años probablemente verías la aurora tan al sur como Nueva York," dijo Tarduno.
En el estudio participaron colegas de la Universidad de KwaZulu-Natal (Sudáfrica), NASA, la Academia China de Ciencias Geológicas (Beijing), y la Universidad de Oslo (Noruega) y fue patrocinado por la Fundación John Simon Guggenheim y la Fundación Nacional de Ciencias.
Más información:
Artículo en la Universidad de Rochester
Fuente: Universidad de Rochester.