La espectacular y colorida aurora boreal, o aurora boreal, que llena el cielo en las regiones de latitudes altas ha fascinado a la gente 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 energizadas que emanan del sol como parte del "viento solar" recorren las líneas del campo magnético de la Tierra y llegan a la atmósfera superior, donde chocan con las moléculas de oxígeno y nitrógeno, poniéndolas en un estado de excitación.Luego, estas moléculas se relajan emitiendo luz, produciendo los hermosos tonos verdes y rojos de la aurora.
Lo que no se ha entendido bien es precisamente cómo los grupos de electrones aceleran a través del campo magnético en el último tramo de su viaje, alcanzando velocidades de hasta 45 millones de mph. En un estudio publicado hoy en la revista Comunicaciones de la naturaleza , esa pregunta es respondida por físicos de UCLA, Wheaton College, la Universidad de Iowa y el Instituto de Ciencias Espaciales.
Una teoría popular ha sido que los electrones viajan en las ondas de Alfvén, un tipo de onda electromagnética que las naves espaciales han identificado con frecuencia viajando hacia la Tierra a lo largo de las líneas del campo magnético por encima de las auroras. Si bien la investigación espacial ha brindado un fuerte apoyo a la teoría, las limitacionesinherentes a las mediciones de la nave espacial han impedido una prueba definitiva.
Para superar estas limitaciones, los físicos llevaron a cabo experimentos de laboratorio en el Dispositivo de plasma grande en la Instalación de ciencia básica del plasma de UCLA, un sitio de investigación colaborativa nacional respaldado conjuntamente por el Departamento de Energía de EE. UU. Y la Fundación Nacional de Ciencia.
Después de reproducir condiciones que imitaban a las de la magnetosfera auroral de la Tierra, el equipo utilizó instrumentos especialmente diseñados para lanzar ondas de Alfvén hacia la cámara de 20 metros de largo del dispositivo de plasma. Porque se cree que las ondas de Alfvén recogen solo una pequeña porción de electrones en el plasma.del espacio, los físicos se centraron en determinar si había electrones que parecían viajar a una velocidad comparable al campo eléctrico de las ondas.
"Este desafiante experimento requirió una medición de la población muy pequeña de electrones que se mueven hacia abajo de la cámara a casi la misma velocidad que las ondas de Alfvén, que suman menos de uno en mil de los electrones en el plasma", dijo Troy Carter, unprofesor de física y director del Instituto de Ciencia y Tecnología del Plasma de UCLA.
"Las mediciones revelaron que esta pequeña población de electrones experimenta una 'aceleración resonante' por el campo eléctrico de la onda Alfvén, similar a un surfista que atrapa una ola y se acelera continuamente a medida que el surfista se mueve junto con la ola", dijo Gregory Howes, profesor asociadode física en la Universidad de Iowa.
Howes señaló que estas ondas de Alfvén aparecen después de tormentas geomagnéticas, fenómenos espaciales desencadenados 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.campo, en el que las líneas del campo magnético se estiran como bandas de goma, se rompen y luego se vuelven a conectar. Estos cambios lanzan ondas Alfvén a lo largo de las líneas hacia la Tierra
Y debido a que las regiones de reconexión magnética cambian durante una tormenta, las ondas de Alfvén, y los electrones que las acompañan, viajan a lo largo de diferentes líneas de campo durante ese período de tiempo, lo que finalmente conduce al resplandor brillante de las cortinas de luz de la aurora, dijo Carter..
En física, la navegación de electrones en el campo eléctrico de una onda es un fenómeno conocido como amortiguamiento de Landau, en el que la energía de la onda se transfiere a las partículas aceleradas. Como parte de su investigación, el equipo utilizó una técnica de análisis innovadora quecombinaron mediciones del campo eléctrico de las ondas de Alfvén y los electrones para generar una firma única de la aceleración de electrones mediante la amortiguación de Landau. A través de simulaciones numéricas y modelos matemáticos, los investigadores demostraron que la firma de aceleración medida en el experimento concordaba con la firma predicha paraLandau amortiguación.
El acuerdo de experimento, simulación y modelado proporciona la primera prueba directa que muestra que las ondas de Alfvén pueden producir electrones acelerados que causan la aurora, dijo Carter.
"Esta confirmación experimental de la física detrás de la aurora se debe al persistente ingenio de los grupos de investigación de la Universidad de Iowa y UCLA", dijo Vyacheslav Slava Lukin, director del programa de Física del Plasma en la National Science Foundation, que no fueparticipa en la investigación ". Desde el apoyo a los estudiantes a través de una beca de investigación de posgrado 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 Ciencia Básica del PlasmaFacility, esta es una historia de éxito de un descubrimiento que fue posible gracias al apoyo constante de la comunidad de investigación universitaria ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Los Ángeles . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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