Modelos 3D para estudiar tormentas solares caníbales

Las eyecciones de masa coronal (CME, por sus siglas en inglés) son erupciones solares en las que una pequeña parte del Sol –aunque varias veces más grande que la Tierra– se desprende y propaga por el medio interplanetario. Este tipo de tormenta solar puede alcanzar la Tierra y alterar los satélites, las telecomunicaciones, los tendidos eléctricos gaseoductos y otras infraestructuras, con los consiguientes daños y pérdidas económicas.

Las ondas de choque de las CME que son más intensas y rápidas aceleran las llamadas partículas energéticas solares (SEP, en inglés), sean electrones, protones o iones. A veces estas partículas llegan a nuestro planeta durante un evento SEP y se producen tormentas de radiación solar que pueden ser extremadamente dañinas para nuestras tecnologías en el espacio e incluso para los tripulantes de la Estación Espacial Internacional.

Debido a su alta energía, cuando estas energéticas partículas colisionan con las computadoras a bordo de los satélites y naves espaciales es posible que se tomen datos erróneos, se generen comandos fantasmas (instrucciones no comunicadas por el centro de comando) o que algunos componentes se carguen eléctricamente, dañando las computadoras de forma catastrófica.

La actividad solar puede interferir en numerosos sectores en la Tierra (telecomunicaciones, servicios meteorológicos, navegación, distribución de energía...). / ESA/Science Office

En este contexto, resulta crucial modelizar y pronosticar las eyecciones de masa coronal y los eventos de partículas energéticas solares asociados. Es lo que ha hecho un equipo de investigadores de la Universidad Católica de Lovaina (KU Leuven), en Bélgica, junto a otro científicos de ese país, España y Polonia.

Canibalismo de eyecciones de masa coronal

Su estudio, publicado en The Astrophysical Journal Letters, se ha centrado en un caso especial: el “canibalismo” de CME. Se trata de un fenómeno poco usual en el que se expulsan dos eyecciones del Sol en una misma dirección, una detrás de la otra, con poca diferencia temporal entre ambas. Pero la segunda es más rápida, alcanza a la primera y se la come.

"Ambas se combinan y la estructura resultante se puede considerar una sola CME más fuerte, con mayor densidad y un campo magnético más intenso", explica a SINC el primer autor, el argentino Antonio Niemela, de KU Leuven, quien recuerda que este tipo de eventos "han sido estudiados muy en detalle, ya que están asociados a tormentas geomagnéticas y tormentas de radiación intensas".

Al igual que la meteorología tradicional utiliza diversos modelos para predecir el tiempo, la meteorología espacial utiliza otros –llamados modelos magnetohidrodinámicos por la teoría en la que se basan– para pronosticar los fenómenos solares y mitigar sus efectos negativos.

Modelos 3D con EUHFORIA y PARADISE

En este caso, por primera vez, los autores del estudio presentan modelos y simulaciones 3D que capturan tanto la fusión de dos CME como su efecto en la aceleración y transporte de las partículas energéticas solares en la heliosfera, la región espacial que se encuentra bajo la influencia del viento solar (el flujo de partículas que llega desde nuestra estrella).

"En concreto, hemos utilizado dos modelos numéricos para resolver las ecuaciones: EUHFORIA (EUropean Heliospheric FORecasting Information Asset), desarrollado conjuntamente por la Universidad de Helsinki (Finlandia) y KU Leuven; y acoplado al primero, PARADISE (PArticle Radiation Asset Directed at Interplanetary Space Exploration), uno de los modelos de pronóstico de SEP más avanzados", apunta Niemela.

Resultados de simulación para tres casos diferentes (con una CME, otra y las dos propagándose por el viento solar) utilizando modelo EUHFORIA (izquierda) y PARADAISE (derecha). / A. Niemela et al./ The Astrophysical Journal Letters

"En conjunto –subraya–, EUHFORIA y PARADISE son capaces de predecir los eventos de partículas energéticas solares y son utilizados para entender algunos de los procesos físicos que sufren estas partículas a medida que se propagan en el viento solar. La novedad ahora es que los enfocamos para simular estos eventos SEP en presencia de CME caníbales".

Los resultados de estas simulaciones revelan que la aceleración de las partículas energéticas solares se ve afectada significativamente por la presencia de las dos eyecciones de masa coronal. Inicialmente, tienen menos energía, pero a medida que las eyecciones se fusionan, las SEP se aceleran, alcanzando mayores intensidades y niveles de energía.

"Entender la física detrás de estos fenómenos mediante modelos matemáticos puede ayudarnos a predecirlos más eficazmente, y así poder proteger muchas de las tecnologías de las que hoy depende la sociedad", recalca Niemela, para tratar de paliar sus graves consecuencias: "Se estima que si una de estas tormentas solares extremas llegase a afectar la Tierra, le llevaría a la economía mundial al menos cinco años y miles de millones de euros en recuperar los niveles productivos anteriores a la tormenta".

Referencia:

Antonio Niemela et al. "Cannibals in PARADISE: The Effect of Merging Interplanetary Shocks on Solar Energetic Particle Events". The Astrophysical Journal Letters, 2024

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