I risultati recentemente pubblicati da uno scienziato spaziale del Southwest Research Institute (SwRI) gettano nuova luce sulla previsione della termodinamica dei brillamenti solari e di altri eventi "climatici spaziali" che coinvolgono caldo, plasmi in rapido movimento.

La scienza della meccanica statistica è uno dei pilastri della comprensione del comportamento termodinamico dei fenomeni con un gran numero di particelle, come i gas. I metodi statistici classici hanno superato la prova del tempo per descrivere i sistemi legati alla Terra, come la miscela relativamente densa di gas che costituisce la nostra aria, spiega il dottor George Livadiotis, un ricercatore senior nella divisione di scienze spaziali e ingegneria della SwRI.

All'equilibrio termico, dove l'energia termica viene trasferita equamente tra le particelle di gas, la loro distribuzione rientra in un rapporto prevedibile:molte particelle a bassa velocità e solo poche veloci. Le particelle si muovono caoticamente, scontrandosi frequentemente tra loro. Un'equazione statistica, nota come distribuzione Maxwell-Boltzmann o Maxwelliana, caratterizza accuratamente come questo mix di particelle di diverse velocità sarà distribuito sulla Terra.

Però, Livadiotis dice, le cose sono diverse nello spazio, che in realtà non è vuoto ma pieno di plasma, il cosiddetto quarto stato della materia. Il plasma è costituito da particelle caricate elettricamente:non è né gas, liquido né solido, anche se spesso si comporta come un gas.

Il plasma spaziale come il vento solare che scorre verso l'esterno dal Sole ha un rapporto più elevato di particelle in rapido movimento. A differenza dei gas sulla Terra, sono "correlati, " si muovono principalmente nella stessa direzione in modo che subiscano meno collisioni tra loro. Per questa serie di circostanze, il modello di distribuzione Maxwelliano non funziona più bene. Livadiotis ha confermato che un'equazione statistica separata, chiamato "Kappa, " è più applicabile per i fenomeni spaziali.

Kappa è l'equazione matematica che descrive la distribuzione delle velocità delle particelle all'equilibrio termico quando ci sono correlazioni tra le velocità delle particelle, come è tipico per i sistemi di particelle spaziali senza collisioni.

"L'equazione di Kappa calcola la distribuzione delle velocità delle particelle all'equilibrio termico quando flussi di particelle in rapido movimento si muovono in massa, " ha detto. "Questa è la situazione tipica per i sistemi di particelle come i plasmi spaziali".

Kappa non solo prevede meglio le distribuzioni delle particelle di plasma spaziale, ma caratterizza anche il loro comportamento termodinamico meglio del modello Maxwelliano, dice Livadiotis. Ciò si riferisce a ciò che accade quando il plasma del vento solare estremamente caldo si schianta contro la coltre protettiva della Terra di particelle caricate magneticamente, nota come magnetosfera.

"Le distribuzioni Kappa hanno permesso agli scienziati di effettuare le prime misurazioni della temperatura dell'eliosfera esterna, " dice Livadiotis. "Con Kappa, possiamo migliorare notevolmente la nostra comprensione della natura e delle proprietà della materia spaziale, se è il vento solare, razzi ed espulsioni di massa coronale, o fenomeni rari e più estremi come i raggi cosmici."

La sua carta, "Origine termodinamica delle distribuzioni Kappa, " è pubblicato il 18 giugno, 2018, edizione di EPL , un diario di lettere che esplora le frontiere della fisica.