Departamento de Física e Astronomia e Centro de Física de Plasma Cinético, Universidade da Virgínia Ocidental, Morgantown, WV, EUA
&bala; Física 18, 108
Uma análise usando observações de satélite sem precedentes revela informações importantes sobre como os elétrons são aquecidos em todo o universo.
L. Richard/Instituto Sueco de Física do Espaço
Figura 1: Richard e seus colegas exploraram como um processo conhecido como reconexão magnética aquece elétrons no campo magnético da Terra (3). As linhas cinza são linhas de campo magnéticas, o sombreamento de fundo do branco a laranja mostra a temperatura do elétron, e os contornos pretos e o mapa de cores branco -vermelho mostram a distribuição de velocidade do elétron. Os elétrons são acelerados por um campo elétrico alinhado por um campo magnético (seta superior) e depois estão presos e espalhados (seta inferior). Esse processo aquece os elétrons e dá a eles uma distribuição de velocidade “Blattop”.
L. Richard/Instituto Sueco de Física do Espaço
Figura 1: Richard e seus colegas exploraram como um processo conhecido como reconexão magnética aquece elétrons no campo magnético da Terra (3). As linhas cinza são linhas de campo magnéticas, o sombreamento de fundo do branco a laranja mostra a temperatura do elétron, e os contornos pretos e o mapa de cores branco -vermelho mostram a distribuição de velocidade do elétron. Os elétrons são acelerados por um campo elétrico alinhado por um campo magnético (seta superior) e depois estão presos e espalhados (seta inferior). Esse processo aquece os elétrons e dá a eles uma distribuição de velocidade “Blattop”.
O que conecta explosões solares que induzem o clima espacial, tempestades geomagnéticas que causam auroras e interrupções magnéticas que estragam o confinamento em dispositivos de fusão magneticamente confinados? Todos esses eventos convertem rapidamente energia magnética armazenada em energia cinética dos elétrons circundantes e íons carregados positivamente no estado de matéria plasmático. A conversão de energia ocorre através de um processo basic chamado reconexão magnética (1). Mas alguns aspectos da reconexão permanecem pouco compreendidos, apesar de décadas de escrutínio por meio de estudos teóricos, observações baseadas em terrenos e satélites, experimentos de laboratório e simulações numéricas (2). Um problema chave não resolvido é determinar quanto da energia magnética liberada vai para os elétrons e quanto vai para os íons e com quais mecanismos físicos essa energização ocorre. Agora Louis Richard, no Instituto Sueco de Física do Espaço e seus colegas, usaram uma nova abordagem para avançar sobre esse problema (3).
Na reconexão magnética, as linhas de campo magnéticas que originalmente apontam em direções opostas se separam e depois se reconectam (4). As linhas de campo recém -reconectadas são altamente dobradas e, quando se endireitam, liberam energia no plasma circundante (5Assim, 6). Os efeitos análogos à reconexão ocorrem em fluidos e supuidos neutros e nas interações de ondas solitárias chamadas solitons na óptica quântica. Tais efeitos são previstos por algumas versões da teoria das cordas (7).
Desenvolvimentos recentes na tecnologia de diagnóstico baseados em satélite estão oferecendo oportunidades sem precedentes para investigar a reconexão na magnetosfera da Terra-a região cheia de plasma ao redor da Terra, onde o campo magnético do planeta domina a dinâmica das partículas carregadas do plasma. Em 2015, a NASA lançou a missão multisconométrica magnetosférica (8). As quatro espaçonaves desta missão estabeleceram registros para serem a constelação de satélite mais apertada e por serem os objetos mais distantes da Terra para usar sinais de GPS. Os diagnósticos dos satélites medem a distribuição de velocidade whole das partículas carregadas da magnetosfera e foram projetadas para registrar distribuições de velocidade de elétrons 100 vezes mais rápida do que qualquer missão anterior.
Espera-se que as velocidades das partículas sigam a distribuição de Maxwell-Boltzmann, sob a suposição de que as partículas estão em equilíbrio termodinâmico native. Mas colisões de partículas carregadas no plasmas espaciais são suficientemente raras que o conjunto de partículas normalmente não esteja em equilíbrio. As medições de missão multiscalando magnetosféricas das distribuições de não -quilíbrio dessas partículas foram um divisor de águas para o estudo da reconexão. They’ve offered insights into the microscale physics that produces the electrical fields that allow reconnection, into how reconnection generates waves and turbulence within the plasma, and into what determines the speed at which reconnection proceeds (see (9) e as referências).
Um candidato líder ao mecanismo físico pelo qual partículas carregadas ganham energia através da reconexão é através dos campos elétricos associados à reconexão. Quando um campo elétrico é perpendicular ao campo magnético, as partículas carregadas não ganham muita energia porque circulam em torno do campo magnético e, ao fazê -lo, perdem repetidamente qualquer energia recebida. Mas para um campo elétrico paralelo ao campo magnético, as partículas podem ganhar energia constantemente do campo elétrico.
Muito foi aprendido nas últimas duas décadas sobre como e onde esses campos elétricos paralelos são gerados durante a reconexão (10). Quando uma linha de campo magnética está prestes a se reconectar, ela se curva em direção ao ponto em que ocorre a reconexão, diminuindo a força native do campo magnético. Para conservar o fluxo magnético, o plasma circundante deve expandir. Essa expansão afeta preferencialmente os elétrons porque eles respondem mais rapidamente do que os íons, o que torna a carga native líquida positiva. Um campo elétrico paralelo é assim criado. Esse campo elétrico paralelo foi observado em simulações e existe evidências em estudos observacionais isolados.
Richard e seus colegas usaram os satélites missionários de escala magnetosférica para conduzir uma análise extensa e astuta de campos elétricos paralelos durante a reconexão na magnetosfera da Terra. Primeiro, eles estudaram um conjunto de dados com 140 eventos de reconexão medidos na folha de plasma da Terra – a folha de corrente gigantesca que reside na lateral da terra, longe do sol e que surge porque o vento photo voltaic estica o campo magnético da Terra na forma de uma meia de vento. Segundo, eles usaram uma visão aguçada para inferir a força do campo elétrico paralelo das distribuições de velocidade de elétrons medidas de maneira tão requintada pelos diagnósticos dos satélites. A idéia principal period que o campo elétrico paralelo aciona um feixe de elétrons para a região de reconexão, e esse processo excita instabilidades de plasma em microescala que resultam no desenvolvimento de uma distribuição de velocidade de “achatação” (Fig. 1). Os pesquisadores usaram o fato de que a maior velocidade de elétrons dentro da região plana dessa distribuição é definida pela força do campo elétrico paralelo para inferir essa força.
Uma análise estatística do grande conjunto de dados revelou excelente acordo com o trabalho teórico anterior. Além disso, Richard e seus colegas usaram seu conjunto de dados para estimar a eficiência do aquecimento de elétrons pelo campo elétrico paralelo, fornecendo uma relação empírica que pode ser usada para inferir o aumento da temperatura do elétron em função das propriedades plasmáticas ambientais. Os pesquisadores também fizeram uma previsão empírica para a proporção de aquecimento de elétrons e aquecimento de íons, abordando esse principal problema não resolvido.
Richard e o trabalho de seus colegas são emocionantes por três razões. Primeiro, ele fornece o estudo observacional mais robusto até o momento de como os elétrons são aquecidos pela reconexão, mostrando que a temperatura do elétron pode aumentar até uma ordem de magnitude. Segundo, a relação empírica derivada para aquecimento de elétrons pode ser aplicada a outras configurações onde ocorre a reconexão – especialmente àqueles que são inacessíveis a in situ Observações de satélite, como configurações solares e astrofísicas. E terceiro, as descobertas podem melhorar nossa compreensão de como a energia liberada durante a reconexão afeta o ambiente circundante. Por exemplo, na parte da meia do vento da magnetosfera da Terra chamada magnetotail, o plasma aquecido é injetado em direção à Terra e afeta os cintos de radiação do planeta, contribuindo para eventos climáticos espaciais que podem interromper as comunicações satélites. Ao ter um entendimento claro da temperatura do plasma, os cientistas serão mais adequados para prever como os sistemas que envolvem a reconexão reagirão ao processo. Esta atividade de pesquisa será essential para nossa infraestrutura tecnológica e preparação para o clima espacial.
J. Egedal et al.“Uma revisão da anisotropia de pressão causada pela captura de elétrons no plasma sem colisão e suas implicações para a reconexão magnética”. Phys. Plasmas20061201 (2013).
Sobre o autor
Paul Cassak é professor do Departamento de Física e Astronomia e Diretor Associado do Centro de Física Plasma Cinética da West Virginia College. Ele é um físico de plasma espacial teórico e computacional, com foco na reconexão magnética e em suas muitas aplicações e, mais amplamente, na dinâmica e na evolução dos plasmas que não estão em equilíbrio termodinâmico native. Ele é um colaborador da equipe de teoria e modelagem da missão multisconométrica magnetosférica.
Pares de skyrmions-pequenos redemoinhos que emergem em alguns materiais magnéticos-podem ser capazes de se autoproprar, um comportamento que lembra o de sistemas de matéria ativa, como bactérias móveis. Leia mais »
