En experimentos, los físicos demostraron los mecanismos físicos para la aceleración de electrones por ondas de Alfven en condiciones correspondientes a la magnetosfera auroral de la Tierra.
Crédito imagen: NASA.
Las auroras boreales, o luces del norte, que llenan el cielo en las regiones de latitudes norte altas han fascinado a las personas durante miles de años. Pero cómo se crearon, aunque se teorizó, no se había probado de manera concluyente.
En un nuevo estudio, un equipo de físicos dirigido por la Universidad de Iowa informa evidencia definitiva de que las auroras más brillantes son producidas por poderosas ondas electromagnéticas durante tormentas geomagnéticas. Los fenómenos, conocidos como ondas de Alfven, aceleran los electrones hacia la Tierra, lo que hace que las partículas produzcan el conocido espectáculo de luces atmosféricas.
El estudio, publicado en línea el 7 de Junio en la revista Nature Communications, concluye una búsqueda de décadas para demostrar experimentalmente los mecanismos físicos para la aceleración de electrones por ondas Alfven en condiciones correspondientes a la magnetosfera auroral de la Tierra.
«Las mediciones revelaron que esta pequeña población de electrones experimenta una ‘aceleración resonante’ por el campo eléctrico de la onda Alfven, similar a un surfista que atrapa una ola y se acelera continuamente a medida que el surfista se mueve junto con la ola», dice Greg Howes, Profesor Asociado del Departamento. de Física y Astronomía en Iowa y coautor del estudio.
Una teoría apoyada con datos con limitaciones provenientes de las naves espaciales
Los científicos han sabido que las partículas energizadas que emanan del Sol, como los electrones que corren a aproximadamente 45 millones de millas por hora (72 millones de kilómetros por hora), se precipitan a lo largo de las líneas del campo magnético de la Tierra hacia la atmósfera superior, donde chocan con las moléculas de oxígeno y nitrógeno, llevándolas a un estado de excitación. Estas moléculas excitadas se relajan emitiendo luz, produciendo los tonos coloridos de la aurora.
La teoría fue apoyada por misiones de naves espaciales que frecuentemente encontraron ondas Alfven viajando hacia la Tierra por encima de las auroras, presumiblemente acelerando electrones en el camino. Aunque las mediciones espaciales habían respaldado la teoría, las limitaciones inherentes a las mediciones de las naves espaciales y los cohetes habían impedido una prueba definitiva.
En experimentos, los físicos demostraron los mecanismos físicos para la aceleración de electrones por ondas de Alfven en condiciones correspondientes a la magnetosfera auroral de la Tierra.
Ilustración de Austin Montelius.
Evidencia sólida en el acuerdo entre experimentos de laboratorio, simulación y modelado
Los físicos pudieron encontrar evidencia confirmatoria en una serie de experimentos llevados a cabo en el Large Plasma Device (LPD) en el Basic Plasma Science Facility de UCLA, un centro de investigación colaborativo nacional apoyado conjuntamente por el Departamento de Energía de EE. UU. y la National Science Foundation.
«La idea de que estas ondas pueden energizar los electrones que crean la aurora se remonta a más de cuatro décadas, pero esta es la primera vez que hemos podido confirmar definitivamente que funciona», dice Craig Kletzing, Profesor del Departamento de Física y Astronomía en Iowa y coautor del estudio. «Estos experimentos nos permiten hacer las mediciones clave que muestran que las mediciones espaciales y la teoría, de hecho, explican una forma importante en la que se crean las auroras».
El fenómeno de los electrones «navegando» en el campo eléctrico de una onda es un proceso teórico conocido como amortiguación de Landau, propuesto por primera vez por el físico ruso Lev Landau en 1946. Mediante simulaciones numéricas y modelos matemáticos, los investigadores demostraron que los resultados de su experimento coincidían con la firma prevista para la amortiguación Landau.
El acuerdo de experimento, simulación y modelado proporciona la primera evidencia directa de que las ondas de Alfven pueden producir electrones acelerados, causando la aurora, dice Troy Carter, Profesor de Física en UCLA y Director del Instituto de Ciencia y Tecnología del Plasma de UCLA.
“Este desafiante experimento requirió una medición de la muy pequeña población de electrones que se mueven hacia abajo de la cámara LPD a casi la misma velocidad que las ondas Alfven, que suman menos de uno en mil electrones en el plasma”, dice Carter.
James Schroeder, Profesor Asistente de Física en Wheaton College y autor correspondiente del estudio, obtuvo un doctorado en Iowa. Frederick Skiff, Profesor del Departamento de Física y Astronomía de la UI, es coautor del estudio. Stephen Vincena, Físico investigador de UCLA, y Seth Dorfman, del Space Science Institute e investigador visitante de UCLA, son autores colaboradores.
Hay información más detallada disponible en:
homepage.physics.uiowa.edu/~ghowes/research/aurora.html.
La Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., El Departamento de Energía de EE. UU. Y la NASA financiaron la investigación.
Fuente: Iowa State University.
Artículo original: ‘Physicists determine how auroras are created‘. Richard C. Lewis. Junio 7, 2021.
Material relacionado
Una colección de imágenes explicativas del fenómeno junto a un video se encuentran en:
- Auroral Electron Acceleration, Image and Video Gallery. Gregory G. Howes. University of Iowa.
Un ingrediente crítico para las auroras existe mucho más alto en el espacio de lo que se pensaba
Crédito: Centro de Ciencias ERG.
Un ingrediente crítico para las auroras existe mucho más alto en el espacio de lo que se pensaba, según una nueva investigación en la revista Scientific Reports . Las deslumbrantes pantallas de luz en los cielos nocturnos polares requieren un acelerador eléctrico para impulsar las partículas cargadas hacia abajo a través de la atmósfera. Los científicos de la Universidad de Nagoya y sus colegas en Japón, Taiwán y Estados Unidos han descubierto que existe más allá de los 30.000 kilómetros sobre la superficie de la Tierra, lo que ofrece información no solo sobre la Tierra, sino también sobre otros planetas.
- The story of polar aurora just got much bigger: Unknown magnetospheric mechanisms revealed. Science Bulletin. March 8, 2021.
La misión Cluster de la ESA
Las cuatro naves espaciales Cluster normalmente operan con separaciones de cientos a miles de kilómetros.
Crédito: ESA , CC BY-SA 3.0 IGO.
Durante 2 décadas, Cluster ha arrojado luz sobre la región de aceleración de las auroras, donde los campos eléctricos paralelos envían partículas cargadas en curso de colisión con la atmósfera. La publicación siguiente lo presenta.
- Understanding Aurora Formation with ESA’s Cluster Mission. Morgan Rehnberg. Eos, Magazine of the American Geophysical Union (AGU). September 7, 2021.