Los físicos resuelven el misterio que rodea a la aurora boreal

Los experimentos en la Instalación de Ciencias del Plasma Básico de la Universidad de California, Los Ángeles, confirman la interacción de los electrones y las ondas de Alvin.

Las asombrosamente coloridas auroras boreales, o auroras boreales, que llenan el cielo en latitudes altas, han fascinado a las personas durante miles de años. Ahora, un equipo de científicos ha resuelto uno de los últimos misterios que rodean su origen.

Los científicos saben que los electrones y otras partículas que se emiten desde el sol como parte del «viento solar» aceleran las líneas del campo magnético de la Tierra hacia la atmósfera superior, donde chocan con moléculas de oxígeno y nitrógeno, forzándolas a un estado excitado. Estas moléculas luego se relajan emitiendo luz, produciendo los hermosos tonos verdes y rojos de la aurora boreal.

Lo que no se comprende bien es exactamente cómo los grupos de electrones se aceleran a través del campo magnético en la etapa final de su viaje, alcanzando velocidades de hasta 45 millones de millas por hora. En un estudio publicado el 7 de junio de 2021 en la revista Conexiones con la naturalezans, esta pregunta fue respondida por físicos de UCLA, Wheaton College, la Universidad de Iowa y el Space Science Institute.

Los electrones que fluyen hacia la Tierra mientras navegan en ondas de Alvin (amarillo) chocan con moléculas de nitrógeno y oxígeno (blanco); En altitudes más altas, estas colisiones dan como resultado la emisión de luz roja, mientras que en altitudes más bajas la luz emitida es verde. Crédito: Austin Montelius, Universidad de Iowa

Una teoría popular es que los electrones viajan a través de las ondas Alfvn, un tipo de onda electromagnética que las naves identifican repetidamente a medida que viajan hacia la Tierra a lo largo de las líneas del campo magnético por encima de la aurora boreal. Si bien la investigación espacial ha brindado un fuerte apoyo a esta teoría, las limitaciones inherentes a las mediciones de la nave espacial han impedido realizar pruebas definitivas.

Para sortear estas limitaciones, los físicos llevaron a cabo experimentos de laboratorio en el gran dispositivo de plasma en la Instalación Central de Ciencias del Plasma de la Universidad de California, un sitio nacional de investigación colaborativa con el apoyo conjunto del Departamento de Energía de EE. UU. Y la Fundación Nacional de Ciencias.

Después de reproducir condiciones que imitan a las de la magnetosfera auroral de la Tierra, el equipo utilizó instrumentos especialmente diseñados para disparar ondas de Alvin por la cámara de 20 metros del dispositivo de plasma. Dado que se cree que las ondas de Alfvn recogen solo una pequeña fracción de los electrones en los plasmas espaciales, los físicos se han centrado en determinar si hay electrones que parecen viajar a una velocidad similar al campo eléctrico de las ondas.

«Este desafiante experimento requiere medir muy pocos electrones que se mueven por la habitación aproximadamente a la misma velocidad que las ondas de Alvin, que son menos de una milésima parte de los electrones en el plasma», dijo Troy Carter, profesor de la Universidad de Alvin. Físico y Director del Instituto de Ciencia y Tecnología del Plasma de la Universidad de California.

El gran dispositivo de plasma de la instalación de ciencia básica del plasma de la Universidad de California, Los Ángeles (UCLA). Crédito: Instalación de Ciencias Básicas del Plasma, Universidad de California

«Las mediciones revelaron que este pequeño grupo de electrones experimenta una ‘aceleración zumbante’ por el campo eléctrico de una onda dosmilésima, similar a un surfista que toma una ola y se acelera continuamente a medida que el surfista se mueve junto con la ola», dijo Gregory Howes. , profesor asociado de física. en la Universidad de Iowa.

Hawes señaló que estas ondas de Alfvén aparecen después de tormentas geomagnéticas, un fenómeno espacial causado por eventos violentos en el Sol, como erupciones solares y eyecciones de masa coronal. Estas tormentas pueden causar lo que se conoce como «reconexión magnética» en el campo magnético de la Tierra, donde las líneas del campo magnético se estiran como bandas de goma, explotan y se vuelven a conectar. Estos cambios liberan ondas de Alfvén a lo largo de las líneas hacia la Tierra.

Debido a que las regiones de reconexión magnética cambian durante una tormenta, las ondas de Alvin, y los electrones que las acompañan, viajan a través de diferentes líneas de campo durante ese período de tiempo, lo que eventualmente causa el brillo centelleante de las cortinas de la aurora, dijo Carter.

En física, los electrones que navegan en el campo eléctrico de una onda es un fenómeno conocido como amortiguación de Landau, en el que la energía de las ondas se transfiere a las partículas en aceleración. Como parte de su investigación, el equipo utilizó una técnica de análisis innovadora que combinó mediciones de campo eléctrico de ondas de Alvin y electrones para generar una firma única de aceleración de electrones a través de la amortiguación de Landau. A través de la simulación numérica y el modelado matemático, los investigadores demostraron que la firma de aceleración medida en el experimento es consistente con la firma esperada de la amortiguación de Landau.

El acuerdo de experimento, simulación y modelado proporciona la primera prueba directa para demostrar que las ondas de Alfvn pueden producir electrones acelerados que causan auroras, dijo Carter.

dijo Vyacheslav (Slava) Lukin, director del Programa de Física del Plasma de la National Science Foundation, que no participó en la investigación. Desde el apoyo a los estudiantes a través de la Beca de Investigación para Graduados de NSF, hasta el programa NSF CAREER para profesores de carrera temprana, hasta la asociación de 25 años entre NSF y el Departamento de Energía que ha permitido las capacidades únicas de la Instalación de Ciencias del Plasma Básico, esta es una historia de éxito de un descubrimiento hecho posible con el apoyo continuo a la comunidad de investigación de la universidad.

Para obtener más información sobre esta investigación, lea Finalmente, Informe de los físicos sobre la prueba definitiva de cómo se crean las fabulosas auroras.

Referencia: «Medidas de laboratorio de la física de la aceleración de electrones aurorales por dos mil ondas» Por JWR Schroeder, JJ Haus, CA Klitzing, F Scaife, T.A. Carter, S. Vincina, S. Dorfman, 7 de junio de 2021, Conexiones con la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41467-021-23377-5

Además de Howes y Carter, los autores del estudio incluyeron a James Schroeder de Wheaton College, Craig Klitzing y Frederic Scaife de la Universidad de Iowa, Stephen Vincina de la Universidad de California y Seth Dorfman del Instituto de Ciencias Espaciales.