As descobertas publicadas recentemente por um cientista espacial do Southwest Research Institute (SwRI) lançaram uma nova luz sobre a previsão da termodinâmica de explosões solares e outros eventos de "clima espacial" envolvendo calor, plasmas de movimento rápido.

A ciência da mecânica estatística é um dos pilares da compreensão do comportamento termodinâmico de fenômenos com grande número de partículas, como gases. Os métodos estatísticos clássicos resistiram ao teste do tempo para descrever sistemas ligados à Terra, como a mistura relativamente densa de gases que compõem nosso ar, explica o Dr. George Livadiotis, um cientista de pesquisa sênior na Divisão de Ciência e Engenharia Espacial do SwRI.

Em equilíbrio térmico, onde a energia térmica é transferida igualmente entre as partículas de gás, sua distribuição cai em uma proporção previsível - muitas partículas de baixa velocidade para apenas algumas rápidas. As partículas se movem caoticamente, colidindo uns com os outros com freqüência. Uma equação estatística, conhecida como distribuição Maxwell-Boltzmann ou Maxwelliana, caracteriza com precisão como essa mistura de partículas de diferentes velocidades será distribuída na Terra.

Contudo, Livadiotis diz, as coisas são diferentes no espaço, que na verdade não está vazio, mas cheio de plasma, o chamado quarto estado da matéria. O plasma consiste em partículas eletricamente carregadas - não é nem um gás, líquido nem sólido, embora muitas vezes se comporte como um gás.

O plasma espacial, como o vento solar que flui do Sol para fora, tem uma proporção maior de partículas que se movem rapidamente. Ao contrário dos gases da Terra, eles são "correlacionados, "principalmente se movendo na mesma direção, de modo que experimentam menos colisões entre si. Para este conjunto de circunstâncias, o modelo de distribuição Maxwelliano não funciona mais bem. Livadiotis confirmou que uma equação estatística separada, chamado "Kappa, "é mais aplicável para fenômenos espaciais.

Kappa é a equação matemática que descreve a distribuição das velocidades das partículas em equilíbrio térmico quando há correlações entre as velocidades das partículas, como é típico para sistemas de partículas espaciais sem colisão.

"A equação Kappa calcula a distribuição das velocidades das partículas em equilíbrio térmico quando fluxos de partículas em movimento rápido estão se movendo em massa, "disse ele." Essa é a situação típica para sistemas de partículas, como plasmas espaciais. "

Kappa não apenas prevê melhor distribuição espacial de partículas de plasma, mas também caracteriza seu comportamento termodinâmico melhor do que o modelo Maxwelliano, Livadiotis diz. Isso está relacionado ao que acontece quando o plasma do vento solar extremamente quente colide com o cobertor protetor da Terra de partículas carregadas magneticamente, conhecida como magnetosfera.

"As distribuições Kappa permitiram aos cientistas fazer as primeiras medições de temperatura da heliosfera externa, "Livadiotis diz." Com Kappa, podemos melhorar drasticamente a nossa compreensão da natureza e das propriedades da matéria espacial, seja o vento solar, flares e ejeções de massa coronal, ou fenômenos raros e mais extremos como os raios cósmicos. "

Seu papel, "Origem Termodinâmica das Distribuições Kappa, "é publicado em 18 de junho, 2018, edição de EPL , um diário de cartas que explora as fronteiras da física.