Nova teoria explica o mistério por trás da reconexão magnética rápida
Explosões solares e ejeções de massa coronal no sol são causadas por “reconexão magnética” – quando linhas de campo magnético de direções opostas se fundem, se unem e se separam, criando explosões que liberam grandes quantidades de energia. Crédito:Laboratório de Imagens Conceituais da NASA.
Quando as linhas do campo magnético de direções opostas se fundem, elas criam explosões que podem liberar grandes quantidades de energia. No sol, a fusão de linhas de campo opostas causa explosões solares e ejeções de massa coronal, explosões gigantes de energia que podem viajar para a Terra em um dia. Embora a mecânica geral da reconexão magnética seja conhecida, os pesquisadores lutaram por mais de meio século para explicar a física precisa por trás da rápida liberação de energia que ocorre.
Um novo estudo de Dartmouth publicado em Communications Physics fornece a primeira descrição teórica de como um fenômeno conhecido como "efeito Hall" determina a eficiência da reconexão magnética.
“A taxa na qual as linhas do campo magnético se reconectam é de extrema importância para os processos no espaço que podem impactar a Terra”, disse Yi-Hsin Liu, professor assistente de física e astronomia em Dartmouth. "Depois de décadas de esforço, agora temos uma teoria completa para resolver esse problema de longa data."
A reconexão magnética existe em toda a natureza em plasmas, o quarto estado da matéria que preenche a maior parte do universo visível. A reconexão ocorre quando linhas de campo magnético de direções opostas são atraídas umas para as outras, se separam, se unem e depois se afastam violentamente.
No caso da reconexão magnética, o rompimento das linhas magnéticas força a saída do plasma magnetizado em altas velocidades. A energia é criada e deslocada para plasmas através de uma força de tensão como aquela que ejeta objetos de estilingues. A reconexão magnética ocorre quando as linhas do campo magnético de direções opostas se fundem, se unem e se separam, liberando grandes quantidades de energia para aquecer plasmas e gerar fluxos de saída de alta velocidade. Crédito:Yi-Hsin Liu/Dartmouth College
O estudo de Dartmouth se concentra no problema da taxa de reconexão, o componente chave da reconexão magnética que descreve a velocidade da ação na qual as linhas magnéticas convergem e se separam.
Pesquisas anteriores descobriram que o efeito Hall – a interação entre as correntes elétricas e os campos magnéticos que as cercam – cria as condições para uma reconexão magnética rápida. Mas até agora os pesquisadores não conseguiram explicar os detalhes de como exatamente o efeito Hall aumenta a taxa de reconexão. Esta visualização mostra o efeito Hall, que ocorre quando o movimento dos íons mais pesados (azul) se desacoplam dos elétrons mais leves (vermelho) à medida que entram na região com fortes correntes elétricas (região áurea). Crédito:Tom Bridgman/NASA's Scientific Visualization Studio O estudo teórico de Dartmouth demonstra que o efeito Hall suprime a conversão de energia do campo magnético em partículas de plasma. Isso limita a quantidade de pressão no ponto em que eles se fundem, forçando as linhas do campo magnético a se curvarem e apertarem, resultando em uma geometria de vazão aberta necessária para acelerar o processo de reconexão.
"Esta teoria aborda o importante quebra-cabeça de por que e como o efeito Hall torna a reconexão tão rápida", disse Liu, que atua como vice-líder da equipe de teoria e modelagem da Missão Magnetosférica Multiescala (MMS) da NASA. “Com esta pesquisa, também explicamos o processo de liberação de energia magnética explosiva que é fundamental e onipresente em plasmas naturais”. Em torno da região onde ocorre a reconexão, a partida do movimento de íons (linhas de corrente azuis em (a)) do movimento de elétrons (linhas de corrente vermelhas em (a)) dá origem ao "efeito Hall", que resulta no padrão de transporte de energia eletromagnética ilustrado por linhas de corrente amarelas em (b). Este padrão de transporte limita a conversão de energia no centro, permitindo uma rápida reconexão. Crédito:Yi-Hsin Liu/Dartmouth College
A nova teoria pode aprofundar a compreensão técnica das explosões solares e eventos de ejeção de massa coronal que causam clima espacial e distúrbios elétricos na Terra. Além de usar a taxa de reconexão para estimar as escalas de tempo das explosões solares, ela também pode ser usada para determinar a intensidade das subtempestades geomagnéticas e a interação entre o vento solar e a magnetosfera da Terra.
A equipe de pesquisa está trabalhando em conjunto com a Missão Magnetosférica Multiescala da NASA para analisar a reconexão magnética na natureza. Dados de quatro satélites voando em formação apertada ao redor da magnetosfera da Terra como parte da missão da NASA serão usados para validar a descoberta teórica de Dartmouth.
"Este trabalho demonstra que os insights da teoria fundamental reforçados pelos recursos de modelagem podem avançar na descoberta científica", disse Vyacheslav Lukin, diretor do programa de física de plasma da NSF. “As implicações tecnológicas e sociais desses resultados são intrigantes, pois podem ajudar a prever os impactos do clima espacial na rede elétrica, desenvolver novas fontes de energia e explorar novas tecnologias de propulsão espacial”.
O novo estudo também pode informar estudos de reconexão em dispositivos de fusão magneticamente confinados e plasmas astrofísicos próximos a estrelas de nêutrons e buracos negros. Embora não haja uso aplicado atualmente, alguns pesquisadores consideraram a possibilidade de usar a reconexão magnética em propulsores de espaçonaves. + Explorar mais
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