I fisici applicati del Caltech hanno simulato sperimentalmente i campi magnetici del sole per creare un anello coronale realistico in un laboratorio.
I loop coronali sono archi di plasma che eruttano dalla superficie del sole seguendo le linee del campo magnetico. Poiché il plasma è un gas ionizzato, cioè un gas di elettroni e ioni a flusso libero:è un eccellente conduttore di elettricità. Come tale, gli anelli della corona solare sono guidati e modellati dal campo magnetico del sole.
Il campo magnetico terrestre funge da scudo che protegge gli esseri umani dai forti raggi X e dalle particelle energizzate emesse dalle eruzioni, ma i satelliti per le comunicazioni orbitano al di fuori di questo campo di schermatura e quindi rimangono vulnerabili. Nel marzo 1989, un bagliore particolarmente grande ha scatenato un'esplosione di particelle cariche che ha temporaneamente messo fuori uso uno dei satelliti ambientali operativi geostazionari della National Oceanic and Atmospheric Administration che monitorano il clima terrestre; ha causato un problema ai sensori sulla navetta spaziale Discovery; e interruttori automatici scattati sulla rete elettrica di Hydro-Québec, che ha causato un grave blackout nella provincia del Quebec, Canada, per nove ore.
"Questo potenziale per causare il caos, che aumenta solo quanto più l'umanità si affida ai satelliti per le comunicazioni, previsioni del tempo, e tenere traccia delle risorse, rende di fondamentale importanza capire come funzionano questi eventi solari, "dice Paolo Bellan, professore di fisica applicata nella Divisione di Ingegneria e Scienze Applicate.
Sebbene i loop coronali simulati siano stati creati in laboratorio in precedenza, quest'ultimo tentativo ha incorporato un campo magnetico che lega l'anello alla superficie del sole. Pensa a un campo di reggette come i cerchi di metallo all'esterno di una botte di legno. Mentre le stecche della canna sono continuamente sotto pressione spingendo verso l'esterno, i cerchi di metallo siedono perpendicolarmente alle stecche e tengono insieme la canna.
La forza di questo campo tenace diminuisce con la distanza dal sole. Ciò significa che quando si è vicini alla superficie solare, i cappi sono fissati saldamente dal campo di reggiatura ma poi possono staccarsi e esplodere se salgono a una certa altitudine dove il campo di reggiatura è più debole. Queste eruzioni sono note come eruzioni solari ed espulsioni di massa coronale (CME).
Le CME sono scariche simili a funi di plasma caldo che accelerano allontanandosi dalla superficie del sole a velocità di oltre un milione di miglia all'ora. Queste eruzioni sono in grado di rilasciare energia equivalente a 1 miliardo di megatoni di TNT, rendendole potenzialmente le esplosioni più potenti del sistema solare. (I CME non devono essere confusi con i brillamenti solari, che spesso si verificano come parte dello stesso evento. I brillamenti solari sono esplosioni di luce ed energia, mentre le CME sono esplosioni di particelle immerse in un campo magnetico.)
I loop simulati e i campi di reggiatura forniscono nuove informazioni su come l'energia viene immagazzinata nella corona solare e poi rilasciata all'improvviso. Bellan ha lavorato con lo studente laureato Caltech Bao Ha (MS '10, PhD '16) per creare il campo di strapping e l'ansa coronale. I risultati dei loro esperimenti sono stati pubblicati sulla rivista Lettere di ricerca geofisica il 17 settembre 2016.
Bellan e i suoi colleghi stanno lavorando da due decenni a simulazioni su scala di laboratorio dei fenomeni della corona solare. Nel laboratorio, il team genera corde di plasma in una camera a vuoto lunga 1,5 metri.
"Lo studio delle espulsioni di massa coronale è impegnativo, poiché gli umani non sanno come e quando esploderà il sole. Ma gli esperimenti di laboratorio consentono il controllo dei parametri dell'eruzione e consentono l'esplorazione sistematica della dinamica dell'eruzione, " dice Ha, autore principale del documento GRL. "Mentre gli esperimenti con gli stessi parametri di eruzione sono facilmente riproducibili, la dinamica del loop varia a seconda della configurazione del campo magnetico della reggetta."
La simulazione di un campo di reggiatura con una forza che svanisce sulla lunghezza relativamente breve della camera a vuoto si è rivelata difficile, dice Bellano. Per farlo funzionare, Ha e Bellan hanno dovuto progettare bobine elettromagnetiche che producono il campo di reggiatura all'interno della camera stessa.
Dopo più di tre anni di progettazione, fabbricazione, e test, Bellan e Ha sono stati in grado di creare un campo di tensione che raggiunge un picco di forza a circa 10 centimetri di distanza dal punto in cui si forma l'anello di plasma, poi muore a breve distanza più in basso nella camera a vuoto.
La disposizione consente a Bellan e Ha di guardare il ciclo del plasma crescere lentamente di dimensioni, quindi raggiungi un punto critico e spara fino all'estremità opposta della camera.
Prossimo, Bellan prevede di misurare il campo magnetico all'interno del circuito in eruzione e anche di studiare le onde emesse quando i plasmi si rompono.
