Estudios preliminares para un modelado empírico de la densidad electrónica en la ionosfera de Marte
Resumen Abstract Índice Conclusiones
Beatriz Sánchez–Cano Moreno de Redrojo
2011-B
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Resumen del Trabajo de Investigación de Master
Autora: Beatriz Sánchez – Cano Moreno de Redrojo.
Título del Trabajo: “Estudios preliminares para un modelado empírico de la ionosfera de Marte.”
Directores: Drs. Miguel Herraiz Sarachaga y Gracia Rodríguez Caderot de la UCM.
Desde que la misión Mars 1 de la Unión Soviética realizó el primer sobrevuelo a Marte en Noviembre de 1962 un total de 40 misiones, de las cuales 17 han tenido éxito, han perseguido el mismo objetivo: profundizar en el conocimiento de nuestro planeta vecino y entender la evolución que lo ha llevado hasta la etapa actual.
La participación española en este tipo de estudios ha recibido un impulso decisivo con la incorporación de nuestro país a la Misión METNET-PRECURSOR que planea instalar en sucesivas operaciones sobre la superficie de Marte 17 estaciones con instrumental geofísico y meteorológico. El lanzamiento de la primera de estas misiones está previsto para finales de este año y la aportación española está liderada por el INTA y la UCM. Entre los equipos que se planean depositar sobre la superficie marciana destaca un magnetómetro de tres componentes íntegramente diseñado y fabricado en el INTA, el cuál será el primer equipo capaz de medir el campo magnético de la superficie marciana in situ. Ello explica el gran interés que poseen los estudios relacionados con el campo magnético de Marte, su ionosfera y la relación entre ambos. En este marco se sitúa la investigación que se ha iniciado con este Trabajo de Investigación de Máster y que permitirá evaluar la influencia que la ionosfera puede ejercer en las comunicaciones entre vehículos sobre la superficie de Marte y entre este planeta, los orbitadores y la Tierra. Así mismo, resulta de particular interés científico el análisis de la interacción entre la ionosfera, las auroras recientemente descubiertas en Marte y las anomalías magnéticas existentes en su superficie. Este problema es otro de los objetivos de la Tesis Doctoral de la que este Trabajo de Investigación es la primera etapa.
En el estado de conocimiento de la geofísica planetaria y en concreto, de las ionosferas planetarias, la información fundamental de la que se ha dispuesto durante muchos años, ha sido a partir de datos de radio-ocultación, los cuales han proporcionado una visión global de la estructura y de la composición de la ionosfera de Marte. Esta técnica se ha visto complementada en 2003 con la llegada a dicho planeta de la sonda europea Mars Express, la cual lleva a bordo un radar de bajas frecuencias, denominado MARSIS. Este equipo actúa también como un sondeador ionosférico permitiendo obtener ionogramas que dan lugar a perfiles de densidad electrónica de la parte situada por encima del máximo de densidad electrónica de la ionosfera de Marte (topside), con muy buena cobertura a nivel global.
A partir de estos distintos tipos de datos, ha sido posible reconocer las principales características de la ionosfera marciana. El topside, se sitúa por encima de los 200 km de altura y tiene gran abundancia de O y O+. La capa principal M1 se forma principalmente por la radiación solar de la zona del espectro ultravioleta extremo (EUV) con longitud de onda entre 10 y 90 nm y se localiza en torno a 135 km de altura. En ella domina el ion O2+ aunque existen pequeñas concentraciones de CO2+ y O+. Existe una capa secundaria, M2, localizada en torno a 110 km de altura que se origina por los rayos X solares de longitud de onda 10 nm y por la ionización de impacto debida a los fotoelectrones y a los electrones secundarios. En contadas ocasiones, existe una tercera capa, M3, localizada entre 65 y 110 km de altura, que se forma a partir de meteoros y de polvo en la atmósfera.
De igual forma, es importante tener en cuenta que Marte carece de un campo magnético global que dé origen a la aparición de una magnetosfera de ámbito planetario, aunque existen regiones en la corteza del planeta intensamente magnetizadas que podrían influir en la formación de esta capa atmosférica.
La investigación comenzada con este Trabajo de Investigación y que continúa actualmente con la Tesis Doctoral, cuyas líneas maestras han sido comentadas anteriormente, es pionera en España. Concretamente, uno de los principales objetivos de esta investigación es la obtención de un modelo empírico de la densidad electrónica de la ionosfera marciana para la capa ionosférica principal de Marte, M1, utilizando la información obtenida por el sondeador de la misión europea Mars Express, complementado con datos de radio ocultación obtenidos de la misión Mars Global Surveyor de la NASA y atendiendo a todos los factores que de una forma u otra, afectan a su formación, tales como: ángulo cenital solar, flujo de actividad solar, estaciones del año, excentricidad de la órbita… así como la citada influencia del campo magnético cortical.
Para ello, en este Trabajo de Investigación de Máster, se han establecido las bases de dicho modelo. En la primera parte este Trabajo, se profundizó en el estado de conocimiento actual de la ionosfera de Marte y de su exploración, además de hacer un inventario de los datos observacionales disponibles de densidad electrónica, los cuales fueron clasificados de acuerdo con sus características y forma de obtención. En la segunda parte, se analizó el comportamiento de las capas ionosféricas M1 y M2 bajos distintas condiciones de actividad solar, campo magnético… iniciando el estudio de sus parámetros fundamentales. A continuación, se aplicó el modelo de Capa Chapman a tres muestras significativas de distintos periodos de datos de radio-ocultación obtenidos por la sonda de la NASA Mars Global Surveyor con el fin de analizar el grado de validez de la función Chapman en la ionosfera de Marte. También se buscó conocer el comportamiento de esta ionosfera bajo distintas condiciones de latitud, longitud, hora de observación, estación del año marciano, actividad solar y efecto de tormentas solares.
Los principales resultados obtenidos en este Trabajo mostraron que en la ionosfera de Marte los procesos de pérdida de iones que predominan son los de radiación y disociación, es decir, que la función que rige la composición y forma de estas capas ionosféricas es la de a-Chapman. Además, se comprobó que al igual que en el caso de la Tierra, para condiciones idénticas de latitud, longitud, estación del año y hora de observación, el máximo de densidad electrónica de las capas M1 y M2 en periodos de alta actividad solar es mayor que en baja actividad y menor para la altura. Estos fenómenos presentan su variación más significativa en la capa M2. De igual forma, se compararon perfiles de densidad electrónica situados sobre zonas con anomalías magnéticas de superficie con perfiles sobre zonas sin ellas. Se observó que la densidad era menor en ambas capas en los casos de zonas con anomalías. Además, como en las regiones magnéticas existen zonas con distinta polaridad, se separaron estos perfiles según la polaridad sobre la que se encontraban, obteniéndose que la capa M1 prácticamente no se ve afectada por el cambio de signo del campo pero la capa M2 sí. En ella se observa que en los perfiles sobre anomalías magnéticas positivas existe un reforzamiento de la capa M2 y por el contrario, en los realizados sobre anomalías negativas es un debilitamiento.
Estos resultados junto con las investigaciones más recientes han sido presentados, o lo van a ser próximamente, en forma de Comunicación Oral en los congresos nacionales e internacionales que a continuación se enumeran:
oIX Reunión Científica de la Sociedad Española de Astronomía en Madrid, Septiembre de 2010.
oEuropean Geosciences Union (EGU) General Assembly en Viena (Austria), Abril de 2011.
oII Encuentro de Exploración del Sistema Solar en Bilbao, Junio de 2011.
oInternational Magnetometer Workshop en Sigüenza, Julio de 2011.
oEuropean Planetary Science Congress EPSC-DPS en Nantes (Francia), Octubre de 2011.
Gran parte del trabajo ha sido publicado en Highlights of Spanish Astrophysics VI, Proceedings of the IX Scientific Meeting of the Spanish Astronomical Society held on September, 1317, 2010, in Madrid, Spain. M. R. Zapatero Osorio et al. (eds.). Actualmente se está finalizando una nueva publicación que será enviada a Icarus o Planetary and Space Science.
Así mismo, este Trabajo de Investigación de Máster ha dado lugar a la realización de varias estancias a lo largo de este año en los siguientes centros internacionales:
oAeronomy and Radiopropagation Laboratory del Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics (ICTP) en Trieste (Italia), en las fechas:
–30 de Junio – 4 de Julio de 2010.
–10 de Octubre – 10 de Noviembre de 2010.
oAsistencia por invitación al Workshop: International Advanced School on Space Weather Modelling and Applications, los días 18-29 de Octubre de 2010.
–22 – 26 de Marzo de 2011.
–19 de Junio – 11 de Julio de 2011.
oESTEC (European Space Research and Technology Centre) de la ESA (European Space Agency) en Noordwijk (Países Bajos), en las fechas:
–3-9 de Octubre de 2010.
–1-19 de Septiembre de 2011.
oObservatorio del Ebro en Roquetes, Tarragona (España) del 20-21 de Enero de 2011 con el fin de asistir a un curso sobre obtención y procesado de datos de radio-ocultación.
A pesar de los grandes avances realizados en los últimos años la ionosfera de Marte es todavía poco conocida. Sin embargo ya puede afirmarse con seguridad la existencia de algunas semejanzas concretas con la ionosfera terrestre (como la similitud de las alturas de escala a 200 km sobre la superficie de ambos planetas o la densidad de partículas a 130 km) y de grandes diferencias físicas entre ellas (como la forma de interaccionar de cada ionosfera con el viento solar o con la superficie planetaria correspondiente). En particular, las observaciones realizadas en los últimos años por las misiones Mars Global Surveyor y Mars Express han puesto de relieve la existencia de una importante y todavía no bien conocida relación entre las anomalías magnéticas de la superficie de Marte y su ionosfera. El objetivo final de la investigación en curso es crear un modelo empírico inicial de la densidad electrónica de la ionosfera marciana y tratar de correlacionarlo con las anomalías magnéticas de la superficie del planeta. Para conseguirlo, este Trabajo Fin de Máster pretende establecer las bases para dicho modelo estudiando el estado de conocimiento sobre la ionosfera de Marte, haciendo un inventario de los datos experimentales disponibles sobre perfiles de densidad electrónica, clasificando estos perfiles de acuerdo con sus características, analizando los que se consideren más adecuados, y realizando un estudio estadístico de sus parámetros fundamentales.
I.ÍNDICE
1.Introducción y objetivos………………………………………………………………….……1
2.Aproximación al planeta………………………….……………………………………………2
3.El campo magnético de Marte……………….……………………………………………..4
3.1Factores que implican una dinamo interna…………………………………..5
3.2Conclusiones sobre las anomalías magnéticas detectadas….…………5
4.Interacción Marte-viento solar………………..……………………………………………7
5.Acercamiento a la ionosfera marciana……….……………………………….……….9
5.1Apuntes generales sobre la exploración de Marte………………………..10
5.2Apuntes sobre la exploración de la ionosfera marciana………………..10
5.2.1Primer acercamiento…..…………………………………….………………13
5.2.2Segundo acercamiento……………………………………………….……..14
5.2.3Tercer acercamiento………………………………………………….………14
5.3Proceso de formación de la ionosfera…………………………………………..16
6.Análisis de la ionosfera marciana………………………………………….……………..21
6.1Acceso a los datos…………………………………………………………………………21
6.1.1Datos procedentes de Radio-ocultación………………….…………22
6.1.2Datos procedentes de sondeos ionosféricos………….………….27
6.2Datos analizados…………………………………………………………………………..28
6.2.1Comparación de perfiles de densidad electrónica marcianos para una misma latitud en dos fechas de actividad solar distinta……………………………………………………….28
6.2.2Estudio de la posible relación entre las anomalías magnéticas de la superficie de Marte y la ionosfera………….33
6.3Capa de meteorización M3…………………………………………………………..37
6.4Efectos de tormentas solares en la ionosfera marciana………………..37
7.Resultados y conclusiones finales……………………………..…….………………….38
8. Referencias…………….……………………………………………………….…………………..39
El planeta Marte ha atraído la mirada de todas las civilizaciones a lo largo de la historia pero no ha sido hasta las últimas décadas cuando se ha producido el verdadero acercamiento al mismo ampliando el conocimiento científico con medias in situ obtenidas de las distintas misiones realizadas con éxito, que como hemos visto, han ido llegando al planeta rojo.
En concreto, el conocimiento acerca de la ionosfera marciana se ha visto generosamente ampliado con las últimas misiones, Mars Global Surveyor y Mars Express. Gracias a los datos obtenidos por el experimento de radio-ocultación de la primera, en este trabajo hemos podido analizar las variaciones generales de esta capa atmosférica.
La realización de este Trabajo de Máster ha permitido conseguir los siguientes objetivos:
oFamiliarizarse con las características del planeta Marte, en particular con su campo magnético y su ionosfera.
oConocer los datos existentes en la actualidad para profundizar en el análisis de la ionosfera marciana. Este conocimiento abarca sus características, su calidad, la forma de obtenerlos y el método para utilizarlos. Además, se han establecido los contactos necesarios con la ESA y la NASA para posteriores estudios.
oRealizar un análisis preliminar de la ionosfera marciana mediante el empleo de una muestra extensa de los datos de radio-ocultación. Este estudio ha permitido comprobar la validez de la aproximación a-de Chapman para la ionosfera marciana. Asimismo, se ha podido iniciar el estudio de la relación entre las características de los perfiles y las anomalías magnéticas; se ha puesto de relieve la existencia de una capa de meteorización M3 y se ha comprobado la influencia de las Tormentas Solares en dichos perfiles.
Todo ello permite concluir que además de alcanzar el objetivo principal de este Trabajo que era iniciar la investigación sobre la ionosfera de Marte preparando los conocimientos previos, las bases de datos y los fundamentos metodológicos necesarios, también ha sido posible dar los primeros pasos en dicha investigación. Algunos resultados de la investigación en curso serán presentados en la IX reunión científica de la SEA (Sociedad Española de Astronomía) que se celebrará en Madrid los días 13-17 del próximo mes de Septiembre.