La nova teoria explica el misteri darrere de la reconnexió magnètica ràpida


La nova teoria explica el misteri darrere de la reconnexió magnètica ràpida

Les erupcions solars i les ejeccions de massa coronal al sol són causades per la “reconnexió magnètica”, quan les línies de camp magnètic de direccions oposades es fusionen, s’uneixen i es separen, creant explosions que alliberen quantitats massives d’energia. Crèdit: NASA Conceptual Image Laboratory.

Quan les línies de camp magnètic de direccions oposades es fusionen, creen explosions que poden alliberar quantitats massives d’energia. Al sol, la fusió de línies de camp oposades provoca erupcions solars i ejeccions de massa coronal, esclats gegants d’energia que poden viatjar a la Terra en un dia.

Tot i que es coneix la mecànica general de la reconnexió magnètica, els investigadors han lluitat durant més de mig segle per explicar la física precisa darrere de l’alliberament ràpid d’energia que té lloc.

Un nou estudi de Dartmouth publicat a Física de les comunicacions proporciona la primera descripció teòrica de com un fenomen conegut com “efecte Hall” determina l’eficiència de la reconnexió magnètica.

“La velocitat a la qual es tornen a connectar les línies de camp magnètic és d’extrema importància per als processos a l’espai que poden afectar la Terra”, va dir Yi-Hsin Liu, professor ajudant de física i astronomia a Dartmouth. “Després de dècades d’esforç, ara tenim una teoria completa per abordar aquest problema de llarga data”.

La reconnexió magnètica existeix a tota la natura en els plasmes, el quart estat de la matèria que omple la major part de l’univers visible. La reconnexió té lloc quan les línies de camp magnètic de direccions oposades es dibuixen entre si, es trenquen, es reuneixen i després s’allunyen violentament.

En el cas de la reconnexió magnètica, el trencament de les línies magnètiques força el plasma magnetitzat a altes velocitats. L’energia es crea i es desplaça als plasmes mitjançant una força de tensió com la que expulsa els objectes de les fones.

La nova teoria explica el misteri darrere de la reconnexió magnètica ràpida

La reconnexió magnètica es produeix quan les línies de camp magnètic de direccions oposades es fusionen, s’uneixen i es separen, alliberant quantitats massives d’energia per escalfar plasmes i impulsar fluxos de sortida d’alta velocitat. Crèdit: Yi-Hsin Liu/Dartmouth College

L’estudi de Dartmouth se centra en el problema de la velocitat de reconnexió, el component clau de la reconnexió magnètica que descriu la velocitat de l’acció en què les línies magnètiques convergeixen i se separen.

Investigacions anteriors van trobar que l’efecte Hall: la interacció entre corrents elèctrics i els camps magnètics que els envolten, crea les condicions per a una ràpida reconnexió magnètica. Però fins ara els investigadors no podien explicar els detalls de com l’efecte Hall millora exactament la taxa de reconnexió.







Aquesta visualització mostra l’efecte Hall, que es produeix quan el moviment dels ions més pesats (blau) es desacobla dels electrons més lleugers (vermell) quan entren a la regió amb forts corrents elèctrics (regió daurada). Crèdit: Tom Bridgman/NASA’s Scientific Visualization Studio

L’estudi teòric de Dartmouth demostra que l’efecte Hall suprimeix la conversió d’energia del camp magnètic a partícules de plasma. Això limita la quantitat de pressió en el punt on es fusionen, forçant la línies de camp magnètic corba i pessiga, donant lloc a la geometria de sortida oberta necessària per accelerar el procés de reconnexió.

“Aquesta teoria aborda l’important trencaclosques de per què i com l’efecte Hall fa que la reconnexió sigui tan ràpida”, va dir Liu, que exerceix de cap adjunt de l’equip de teoria i modelatge de la missió multiescala magnetosfèrica (MMS) de la NASA. “Amb aquesta investigació, també hem explicat el procés d’alliberament d’energia magnètica explosiva que és fonamental i omnipresent en els plasmes naturals”.

La nova teoria explica el misteri darrere de la reconnexió magnètica ràpida

Al voltant de la regió on es produeix la reconnexió, la sortida del moviment d’ions (les línies blaves a (a)) del moviment d’electrons (les línies vermelles a (a)) dóna lloc a l'”efecte Hall”, que dóna lloc al patró de transport d’energia electromagnètica. il·lustrat per línies grogues a (b). Aquest patró de transport limita la conversió d’energia al centre, permetent una reconnexió ràpida. Crèdit: Yi-Hsin Liu/Dartmouth College

La nova teoria podria millorar la comprensió tècnica erupcions solars i esdeveniments d’ejecció de massa coronal que causen pertorbacions elèctriques i meteorològiques espacials a la Terra. A més d’utilitzar la taxa de reconnexió per estimar les escales de temps de les erupcions solars, també es pot utilitzar per determinar la intensitat de les subtempestes geomagnètiques i la interacció entre el vent solar i la magnetosfera terrestre.

L’equip d’investigació treballa juntament amb la missió multiescala magnetosfèrica de la NASA per analitzar la reconnexió magnètica a la natura. Les dades de quatre satèl·lits que volen en formació ajustada al voltant de la magnetosfera de la Terra com a part de la missió de la NASA s’utilitzaran per validar la troballa teòrica de Dartmouth.

“Aquest treball demostra que els coneixements fonamentals de la teoria reforçats per les capacitats de modelització poden avançar en el descobriment científic”, va dir Vyacheslav Lukin, director del programa de física del plasma a NSF. “Les implicacions tecnològiques i socials d’aquests resultats són intrigants, ja que poden ajudar a predir els impactes del clima espacial en el xarxa elèctricadesenvolupar noves fonts d’energia i explorar noves tecnologies de propulsió espacial”.

El nou estudi també pot informar estudis de reconnexió en dispositius de fusió confinats magnèticament i plasmes astrofísics a prop d’estrelles de neutrons i forats negres. Encara que no hi ha un ús aplicat actual, alguns investigadors han considerat la possibilitat d’utilitzar-lo reconnexió magnètica en propulsors de naus espacials.


Un full de ruta per aprofundir en la comprensió d’un procés universal desconcertant


Més informació:
Liu, YH. et al. Teoria dels primers principis de la velocitat de reconnexió magnètica en plasmes magnetosfèrics i solars. Física de les comunicacions (2022). DOI: 10.1038/s42005-022-00854-x

Proporcionat per
Dartmouth College


Citació: La nova teoria explica el misteri darrere de la reconnexió magnètica ràpida (2022, 28 d’abril) recuperat el 4 de maig de 2022 a https://phys.org/news/2022-04-theory-mystery-fast-magnetic-reconnection.html

Aquest document està subjecte a drets d’autor. A part de qualsevol tracte just amb finalitats d’estudis o investigacions privats, no es pot reproduir cap part sense el permís per escrit. El contingut es proporciona només amb finalitats informatives.