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Aunque las películas muestran a la Tierra como un rincón tranquilo y prístino del universo, en realidad el entorno espacial cercano a la Tierra es peligroso y dinámico. En un día cualquiera, las partículas cargadas calientes y las manchas de plasma, llamadas viento solar, viajan desde el sol y son desviadas por el campo magnético de la Tierra, causando hermosas auroras alrededor de los polos norte y sur. Sin embargo, durante las tormentas solares, el viento solar puede comprimir el campo magnético de la Tierra, haciendo que las líneas del campo magnético se reorganicen y vuelvan a conectarse (lo que también se conoce como reconexión magnética), disparando plasma caliente y denso hacia la Tierra. Este tipo de procesos se conoce como meteorología espacial. Debido al efecto que estas perturbaciones espaciales pueden tener en elementos clave de nuestra sociedad moderna, como los sistemas de telecomunicaciones y las redes eléctricas, obtener una buena comprensión de estos procesos es tan esencial como entender la meteorología terrestre.
Uno de los principales retos para entender la reconexión magnética en la magnetosfera de la Tierra ha sido la dificultad para resolver los procesos de menor escala cinética en las observaciones por satélite. Sin embargo, la nave espacial Magnetospheric Multi-Scale (MMS) de la NASA ha permitido recientemente realizar estudios detallados de esta física a microescala que hasta ahora no se había visto.
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| La magnetosfera de la Tierra puede sufrir una compresión global debido al viento solar. Esta compresión crea láminas de corriente delgadas y no ideales en la magnetocola. Las naves espaciales MMS de la NASA vuelan a través de esta delgada lámina de corriente comprimida y revelan que se forma un campo eléctrico a pequeña escala (línea azul en el gráfico) que genera un flujo de electrones altamente cizallado que impulsa las ondas híbridas inferiores (puntos brillantes en el gráfico), mientras que la densidad del plasma es relativamente plana (línea discontinua naranja en el gráfico). Es importante comprender la formación de estas láminas de corriente y las estructuras y dinámicas a pequeña escala en su interior, ya que se cree que son importantes en los procesos que inician la reconexión magnética, que puede impulsar un intenso clima espacial en la magnetosfera de la Tierra. Crédito: Dr. Bill Amatucci, NRL |
Los científicos del Laboratorio de Investigación Naval de Estados Unidos (NRL) en Washington, D.C., han utilizado los datos del MMS para estudiar la física a microescala que se produce en la magnetocola de la Tierra, una delgada porción de la magnetosfera que se ilustra en la figura 1. La magnetocola se forma cuando la magnetosfera de la Tierra es comprimida por el viento solar en una fina lámina de corriente, creando un lugar ideal para estudiar la reconexión magnética.
Recientemente, los científicos del NRL han observado por primera vez ondas de plasma impulsadas por flujos de electrones altamente cizallados (cizallamiento de velocidad) en una de estas láminas de corriente comprimida. El cizallamiento de la velocidad se genera en la lámina de corriente cuando surge un campo eléctrico localizado orientado perpendicularmente al campo magnético de fondo a medida que la lámina de corriente se comprime. Estas ondas son una rica fuente de difusividades locales mejoradas, que pueden desencadenar el proceso de reconexión magnética.
Los científicos del NRL también utilizaron estas observaciones para descubrir un componente clave que faltaba en los modelos teóricos existentes sobre las láminas de corriente delgadas y la reconexión magnética: un campo eléctrico ambipolar que se forma perpendicularmente a la lámina de corriente y que se intensifica cuando la lámina de corriente sufre una fuerte compresión. Desde entonces se ha desarrollado un nuevo modelo teórico que indica que el campo eléctrico ambipolar puede desarrollarse de manera autoconsistente en respuesta a la compresión global del plasma. Esto, a su vez, produce el cizallamiento de la velocidad que puede impulsar las ondas observadas en los datos de la nave espacial. La corriente impulsada por el flujo de electrones también cambia los perfiles del campo magnético y permite la formación de láminas de corriente que son a la vez delgadas y no ideales, características que no pueden ser explicadas simultáneamente por los modelos estándar. Los resultados del modelo teórico arrojan una nueva luz sobre la conexión clave entre la física a microescala y a macroescala.
Estos hallazgos desafían la comprensión existente de la física de las láminas de corriente delgadas, y la identificación de las ondas de plasma impulsadas por el cizallamiento también establece la importancia del campo eléctrico ambipolar localizado y las condiciones altamente inhomogéneas que impulsan la física. Este conocimiento más profundo de la física a pequeña escala, cuando se combine con los modelos a mayor escala, conducirá a un conocimiento más completo de la dinámica global y, especialmente, del flujo de energía en la heliosfera desde el sol hacia la vecindad inmediata de la Tierra que afecta a la meteorología espacial cercana a la Tierra.
Fuentes, créditos y referencias:
GI01.00002. Structure and Dynamics of a Compressed Current Sheet in the Earth's Magnetotail