La medición más antigua del campo magnético de la Tierra revela una batalla entre el Sol y la Tierra por la atmósfera

Científicos de la Universidad de Rochester han descubierto que el campo magnético de la Tierra tenía, hace 3.500 millones de años, sólo la mitad de la fuerza que tiene hoy, y que esta debilidad, junto con un fuerte viento de partículas energéticas del joven Sol, probablemente despojó de agua la atmósfera de la Tierra primitiva

Los resultados, presentados en Science, sugieren que la magnetopausa —el límite donde el campo magnético de la Tierra desvía con éxito el viento solar que llega del Sol— estaba a sólo la mitad de la distancia de la Tierra de lo que está hoy.

El óvalo auroral más grande en relación con el moderno es resultado de un campo magnético más débil y una mayor presión dinámica del viento solar. La intensidad del brillo de la aurora es mayor debido a que la densidad del viento solar es muchas veces mayor que la actual, y el color dominante refleja la energías de las partículas que se precipitan y la leve atmósfera Paleoarcaica en reducción. (Crédito: Cortesía de J. y R. Tarduno Cottrell. Universidad de Rochester)

«Con una magnetosfera débil y una rápida rotación del joven Sol, es probable que la Tierra recibiera tantos protones solares en un día normal como tenemos hoy durante una tormenta solar severa», dice John Tarduno, geofísico de la Universidad de Rochester y autor principal del estudio. «Esto significa que era mucho más probable que las partículas del Sol llegaran a la Tierra. Es muy probable que el viento solar eliminara de la atmósfera moléculas volátiles, como el hidrógeno, a una velocidad mucho mayor de lo que estamos perdiendo hoy». Tarduno dice que la pérdida de hidrógeno implica una pérdida de agua, significando que puede haber mucha menos agua en la Tierra hoy en día que en su infancia.

Para encontrar la intensidad del campo magnético en la antigüedad, Tarduno y sus colegas de la Universidad de KwaZulu-Natal, visitaron sitios en África que, se sabe, contienen rocas de más de 3.000 millones de años de edad. No cualquier rocas de esa edad, sin embargo. Ciertas rocas ígneas, llamado dacitas, contienen pequeños cristales de cuarzo de un tamaño del orden del milímetro, que a su vez tienen pequeñas inclusiones magnéticas de tamaño en el orden de los nanómetros . La magnetización de estas inclusiones actúa como minúsculas brújulas, manteniendo un registro del campo magnético de la Tierra cuando se enfrió la dacita, pasando de ser magma fundido a roca dura. Encontrar rocas de esta edad es bastante difícil, y además este tipo de rocas han experimentado miles de millones de años de actividad geológica que podrían haber recalentado y posiblemente cambiado su registro magnético inicial. Para reducir la posibilidad de esta contaminación, Tarduno eligió los granos de feldespato y cuarzo mejor conservados en los afloramientos de dacita de 3.500 millones de años de antigüedad en el sur de África.

Complicando la búsqueda de las rocas correctas, el efecto de la interacción del viento solar con la atmósfera puede provocar su propio campo magnético, así que aunque Tarduno encontrase una roca que no se había modificado en 3.500 millones de años, tenía que estar seguro de que el registro magnético que ésta contiene fue generado por el núcleo de la Tierra y no inducida por el viento solar.

Una vez aislados los cristales ideales, Tarduno utiliza un instrumento llamado dispositivo de interfaz cuántica superconductor, o magnetómetro SQUID, que normalmente se utiliza para solucionar problemas en chips de computadoras porque es extremadamente sensible a los más pequeños campos magnéticos. Tarduno es pionero en el análisis de cristales individuals usando magnetómetros SQUID. Sin embargo, para este estudio incluso los magnetómetros SQUID estándar carecían de la sensibilidad necesaria. Tarduno pudo emplear un nuevo magnetómetro, que tiene sensores ubicados más cerca de la muestra que en los instrumentos anteriores.

Utilizando el nuevo magnetómetro, Tarduno, el Investigador Científico Rory Cottrell, y estudiantes de la Universidad de Rochester, han podido confirmar que los cristales de silicato de 3.500 millones de años de edad había registrado un campo demasiado fuerte para ser inducida por la interacción del viento solar con la atmósfera, así que debe haber sido generado por el núcleo de la Tierra.

«Hemos logrado tener una idea bastante sólida de cuán fuerte era el campo de la Tierra en ese momento, pero sabíamos que ésta era sólo la mitad de la imagen», dice Tarduno. «Necesitábamos entender cuánto viento solar estaba desviando el campo magnético porque esto nos diría que era lo que, probablemente, había pasado en la atmósfera de la Tierra.»

El viento solar puede despojar a un planeta de su atmósfera y bañar su superficie con radiación letal. Tarduno señala que Marte es un ejemplo de un planeta que es probable que haya perdido su magnetosfera a principios de su historia, permitiendo que el bombardeo del viento solar erosionase lentamente su atmósfera. Para descubrir con qué tipo de viento solar se tuvo que enfrentar la Tierra, Tarduno contó con la ayuda de Eric Mamajek, profesor asistente de física y astronomía en la Universidad de Rochester.

«Hay una fuerte correlación entre la edad de un estrella similar al Sol y es la cantidad de materia que arroja como viento solar», dice Mamajek «A juzgar por la rotación y la actividad que esperamos de nuestro sol cuando tenía mil millones de años de edad, creo que estaba derramando material a una tasa alrededor de 100 veces más fuerte que el promedio observado en los tiempos modernos.»

Mientras que el ciclo de vida de las estrellas como nuestro Sol es bien conocido, dice Mamajek, los astrofísicos sólo tienen un puñado de estrellas de las que saben la cantidad de masa que pierden como viento solar. Mamajek dice que la cantidad de rayos X radiados desde una estrella, independientemente de su brillo aparente, puede dar una buena estimación de la cantidad de material radiante que emite la esterlla como viento solar. Auqnue es muy probable que el Sol a esa edad fuese alrededor de un 23 % menos luminoso de lo que vemos nosotros hoy, estaba desprendiendo mucha más radiación en forma de rayos X, e impulsando un viento solar mucho más potente.

«Estimamos que el viento solar en ese momento era un par de órdenes de magnitud más fuerte», dice Mamajek. «Con una magnetosfera de la Tierra más débil, es probable que el punto de enfrentamiento entre fuera de menos de cinco radios de la Tierra. Eso es menos de la mitad de la distancia de hoy, de 10,7 radios.»

Tarduno dice que además de la magnetopausa más pequeña permitiendo que el viento solar arrancara más vapor de agua lejos de la Tierra primitiva, el cielo podría haber estado más lleno de auroras polares. El campo magnético de la Tierra se curva hacia la vertical en los polos y canaliza allí el viento solar hacia la superficie de la Tierra. Cuando el viento solar golpea la atmósfera, libera los fotones que se ven como cambios en patrones de luz en la noche.

Con la magnetosfera debilitada, la zona donde el viento solar se canaliza hacia la superficie —un área a la que se le llama casquete polar magnético— habría sido tres veces mayor que la de hoy, dice Tarduno.

«En una noche normal hace 3.500 millones años, probablemente se vería la aurora hasta el sur de Nueva York», dice Tarduno.

El estudio involucró colegas de la Universidad de KwaZulu-Natal (Sudáfrica), la NASA, la Academia China de Ciencias Geológicas (Beijing), y la Universidad de Oslo (Noruega) y fue apoyada por la John Simon Guggenheim Foundation y la National Science Foundation.

Fuente: Science Daily. Aportado por Eduardo J. Carletti

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