Um campo magnético dipolo, criado por uma corrente de anel, é o tipo mais fundamental de campo magnético encontrado tanto em laboratórios quanto no espaço. As magnetosferas planetárias, como a de Júpiter, confinam efetivamente o plasma.

O projeto RT-1 visa aprender com a natureza e criar um plasma de alto desempenho do tipo magnetosfera para realizar energia de fusão avançada. Simultaneamente, a magnetosfera artificial oferece um meio de compreender experimentalmente os mecanismos dos fenómenos naturais num ambiente simplificado e controlado.

O Ring Trap-1 (RT-1) é um aparelho experimental localizado na Universidade de Tóquio. Utilizando tecnologia supercondutora de alta temperatura, uma bobina de campo dipolo é levitada magneticamente, permitindo que experimentos de plasma sejam conduzidos em um ambiente próximo ao da magnetosfera planetária.

A emissão de coro em modo assobiador, observada no espaço ao redor da Terra, conhecido como "Geoespaço", é um fenômeno importante que está relacionado às auroras e ao clima espacial. A emissão do coro foi ativamente investigada principalmente através de observações de naves espaciais, estudos teóricos e simulações numéricas.

Embora as naves espaciais sejam ferramentas poderosas para estudar o ambiente espacial real, a magnetosfera planetária é um sistema enorme e complexo que é difícil de compreender na sua totalidade. Além disso, não é fácil para os seres humanos manipular o ambiente espacial.

Pelo contrário, as configurações laboratoriais permitem-nos criar um objecto de investigação simplificado que é extraído das propriedades complexas da natureza num ambiente controlado. Portanto, espera-se que estudos experimentais desempenhem um papel complementar na observação e na teoria da compreensão das emissões do coro. No entanto, não é simples criar um ambiente magnetosférico em laboratório. Experimentos de laboratório sobre emissões de coro em um campo magnético dipolo magnetosférico nunca foram conduzidos até agora.

Uma equipe de pesquisa do Instituto Nacional de Ciência da Fusão em Toki, Japão, e da Escola de Pós-Graduação em Ciências de Fronteira da Universidade de Tóquio em Kashiwa, Japão, conduziu com sucesso estudos de laboratório sobre a emissão de coro no modo assobiador usando o dispositivo RT-1. Esta "magnetosfera artificial" possui uma bobina supercondutora levitada magneticamente para criar um campo magnético dipolo do tipo magnetosfera planetária em laboratório.

Usando tecnologia supercondutora de alta temperatura, uma bobina de 110 kg é levitada magneticamente em um recipiente a vácuo, e o campo magnético gerado confina o plasma. Esta configuração única permite a operação sem quaisquer estruturas mecânicas de suporte para a bobina, tornando possível gerar plasma em um ambiente semelhante ao de uma magnetosfera planetária, mesmo dentro de uma instalação terrestre.

Neste estudo, a equipe de pesquisa encheu o recipiente de vácuo do RT-1 com gás hidrogênio e injetou microondas para criar plasma de hidrogênio de alto desempenho, principalmente por aquecimento de elétrons.

Nos experimentos foram gerados plasmas em vários estados e foram feitas investigações sobre a geração de ondas. Consequentemente, foi observada uma produção espontânea da emissão do coro da onda assobiadora quando o plasma continha uma proporção considerável de elétrons de alta temperatura.

Também foram feitas medições da força e frequência da emissão do coro do plasma, com foco em sua densidade e no estado dos elétrons de alta temperatura.

As descobertas, publicadas na Nature Communications , revelou que a geração de uma emissão de coro é impulsionada por um aumento nos elétrons de alta temperatura, responsáveis ​​pela pressão do plasma. Além disso, o aumento da densidade global do plasma teve o efeito de suprimir a geração da emissão do coro.

Através deste estudo, foi esclarecido que a emissão de coro é um fenômeno universal que ocorre em plasma com elétrons de alta temperatura em um campo magnético dipolo simples. As propriedades reveladas no experimento, incluindo as condições de aparência e propagação das ondas, podem melhorar nossa compreensão da emissão do coro e dos fenômenos relacionados observados no geoespaço.

As ondas eletromagnéticas de uma emissão de coro têm o potencial de acelerar ainda mais os elétrons quentes para estados de energia mais elevados, levando à formação de auroras e falhas de satélites. Estas ondas eletromagnéticas, juntamente com partículas energéticas, desempenham um papel crucial nos fenómenos climáticos espaciais.

No geoespaço, quando ocorrem eventos explosivos (flares) na superfície solar, dão origem a tempestades magnéticas, causando grandes flutuações no campo eletromagnético e gerando grandes quantidades de partículas energéticas. Isto não só causa falhas nos satélites e impacta a camada de ozônio, mas também é conhecido por perturbar as redes de energia e de comunicação no solo.

Com a expansão da atividade humana hoje, a compreensão dos fenômenos climáticos espaciais tornou-se cada vez mais importante. No entanto, numerosos mecanismos e fenómenos nesta área permanecem sem solução. Espera-se que o resultado deste estudo contribua para uma melhor compreensão dos mecanismos por trás dos diversos fenômenos climáticos espaciais.

No campo do plasma de fusão, que visa, em última análise, resolver problemas energéticos, a perda de partículas e a formação de estruturas devido à interação com as ondas é uma das questões centrais da investigação. Uma compreensão precisa das complexas interações entre as ondas excitadas espontaneamente e o plasma é essencial para alcançar a fusão.

Fenômenos ondulatórios com variações de frequência têm sido amplamente observados em plasmas de fusão de alta temperatura, indicando a existência de um mecanismo físico compartilhado com a emissão do coro.

As descobertas deste estudo representam um passo à frente na compreensão dos fenômenos físicos comuns encontrados nos plasmas de fusão e espaciais. Prevê-se que a investigação futura avance ainda mais com o aumento da cooperação entre estes dois campos.>

As ondas de Whistler são uma das ondas fundamentais que se propagam no plasma. Nas emissões de coro observadas em torno do geoespaço e de Júpiter, eventos de flutuação com variações de frequência semelhantes ao canto dos pássaros ocorrem repetidamente. Acredita-se que eles estejam intimamente relacionados às auroras e aos fenômenos climáticos espaciais, como a produção e o transporte de elétrons de alta energia.

Mais informações: Haruhiko Saitoh et al, Estudo experimental sobre emissão de coro em uma magnetosfera artificial, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-44977-x
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