I brillamenti solari e le espulsioni di massa coronale sul sole sono causati dalla "riconnessione magnetica" - quando le linee del campo magnetico di direzioni opposte si fondono, si uniscono e si separano, creando esplosioni che rilasciano enormi quantità di energia. Credito:Laboratorio di immagine concettuale della NASA.
Quando le linee del campo magnetico di direzioni opposte si fondono, creano esplosioni che possono rilasciare enormi quantità di energia. Sul sole, l'unione di linee di campo opposte provoca brillamenti solari ed espulsioni di massa coronale, gigantesche esplosioni di energia che possono viaggiare sulla Terra in un giorno.
Sebbene la meccanica generale della riconnessione magnetica sia nota, i ricercatori hanno lottato per oltre mezzo secolo per spiegare la fisica precisa dietro il rapido rilascio di energia che ha luogo.
Un nuovo studio di Dartmouth pubblicato su Communications Physics fornisce la prima descrizione teorica di come un fenomeno noto come "effetto Hall" determini l'efficienza della riconnessione magnetica.
"La velocità con cui le linee del campo magnetico si riconnettono è di estrema importanza per i processi nello spazio che possono avere un impatto sulla Terra", ha affermato Yi-Hsin Liu, assistente professore di fisica e astronomia a Dartmouth. "Dopo decenni di sforzi, ora abbiamo una teoria completa per affrontare questo problema di vecchia data."
La riconnessione magnetica esiste in tutta la natura nei plasmi, il quarto stato della materia che riempie la maggior parte dell'universo visibile. La riconnessione avviene quando le linee del campo magnetico di direzioni opposte vengono attirate l'una verso l'altra, si rompono, si riconnettono e quindi si staccano violentemente.
Nel caso della riconnessione magnetica, lo schiocco delle linee magnetiche espelle il plasma magnetizzato ad alte velocità. L'energia viene creata e trasformata in plasma attraverso una forza di tensione simile a quella che espelle gli oggetti dalle fionde.
La riconnessione magnetica si verifica quando le linee del campo magnetico di direzioni opposte si fondono, si riuniscono e si separano, rilasciando enormi quantità di energia per riscaldare i plasmi e guidare deflussi ad alta velocità. Credito:Yi-Hsin Liu/Dartmouth College
Lo studio di Dartmouth si concentra sul problema del tasso di riconnessione, la componente chiave della riconnessione magnetica che descrive la velocità dell'azione in cui le linee magnetiche convergono e si separano.
Ricerche precedenti hanno scoperto che l'effetto Hall, l'interazione tra le correnti elettriche ei campi magnetici che le circondano, crea le condizioni per una rapida riconnessione magnetica. Ma fino ad ora i ricercatori non sono stati in grado di spiegare i dettagli di come esattamente l'effetto Hall migliora il tasso di riconnessione.
Lo studio teorico di Dartmouth dimostra che l'effetto Hall sopprime la conversione dell'energia dal campo magnetico alle particelle di plasma. Ciò limita la quantità di pressione nel punto in cui si uniscono, costringendo le linee del campo magnetico a curvarsi e pizzicarsi, con conseguente geometria di deflusso aperta necessaria per accelerare il processo di riconnessione.
"Questa teoria affronta l'importante enigma del perché e come l'effetto Hall renda la riconnessione così veloce", ha affermato Liu, che funge da vice capo del team di teoria e modellazione per la Magnetospheric Multiscale Mission (MMS) della NASA. "Con questa ricerca, abbiamo anche spiegato il processo di rilascio di energia magnetica esplosiva che è fondamentale e onnipresente nei plasmi naturali."
Intorno alla regione in cui si verifica la riconnessione, l'allontanamento del movimento ionico (linee blu in (a)) dal movimento degli elettroni (linee rosse in (a)) dà origine all'"effetto Hall", che si traduce nel modello di trasporto dell'energia elettromagnetica illustrato da linee di flusso gialle in (b). Questo modello di trasporto limita la conversione di energia al centro, consentendo una rapida riconnessione. Credito:Yi-Hsin Liu/Dartmouth College
La nuova teoria potrebbe favorire la comprensione tecnica dei brillamenti solari e degli eventi di espulsione di massa coronale che causano condizioni meteorologiche spaziali e disturbi elettrici sulla Terra. Oltre a utilizzare il tasso di riconnessione per stimare le scale temporali dei brillamenti solari, può anche essere utilizzato per determinare l'intensità delle sottotempeste geomagnetiche e l'interazione tra il vento solare e la magnetosfera terrestre.
Il team di ricerca sta lavorando insieme alla missione multiscala magnetosferica della NASA per analizzare la riconnessione magnetica in natura. I dati di quattro satelliti che volano in stretta formazione attorno alla magnetosfera terrestre nell'ambito della missione della NASA verranno utilizzati per convalidare la scoperta teorica di Dartmouth.
"Questo lavoro dimostra che le intuizioni della teoria fondamentale rafforzate dalle capacità di modellazione possono far avanzare la scoperta scientifica", ha affermato Vyacheslav Lukin, direttore del programma per la fisica del plasma presso NSF. "Le implicazioni tecnologiche e sociali di questi risultati sono interessanti in quanto possono aiutare a prevedere gli impatti delle condizioni meteorologiche spaziali sulla rete elettrica, sviluppare nuove fonti di energia ed esplorare nuove tecnologie di propulsione spaziale."
Il nuovo studio può anche informare gli studi di riconnessione in dispositivi di fusione confinati magneticamente e plasmi astrofisici vicino a stelle di neutroni e buchi neri. Sebbene non vi sia un uso attualmente applicato, alcuni ricercatori hanno considerato la possibilità di utilizzare la riconnessione magnetica nei propulsori dei veicoli spaziali. + Esplora ulteriormente
