La inestabilidad de torcedura a gran escala y la inestabilidad de Rayleigh-Taylor a pequeñas escalas, juntas producen la reconexión magnética que causa las llamaradas y las tormentas solares, de acuerdo a recientes experimentos.
Enero registró la mayor tormenta solar desde el año 2005, generando algunas de las auroras boreales más deslumbrantes de la historia reciente.
La fuente de la tormenta es el campo magnético del Sol, descrito por las líneas del campo invisible que sobresalen y un bucle de gas ardiendo. A veces, estas líneas de campo pueden romperse como una goma demasiado apretada y se unen con otras líneas cercanas, liberando energía que puede lanzar ráfagas de plasma conocido como erupciones solares. Enormes trozos de plasma de la superficie del Sol pueden comprimirse con rumbo hacia la Tierra y los satélites en órbita causándoles daño.
Estos trozos de plasma, llamadas eyecciones de masa coronal, también pueden ajustar las líneas de campo magnético de la Tierra, causando que las partículas cargadas se aceleren hacia los polos magnéticos de la Tierra, lo que, a su vez, pone en marcha los espectáculos de luces brillantes que conocemos como las auroras boreales y australes.
A pesar de que el proceso de las líneas de campo emergentes y la fusión con otras líneas que producen la llamada reconexión magnética tiene efectos tan importantes, una imagen detallada de lo que precisamente está pasando, desde hace mucho tiempo ha eludido a los científicos, dice Paul Bellan, profesor de física aplicada en la División de Ingeniería y Ciencias Aplicadas en el Instituto de Tecnología de California (Caltech).
Ahora, usando cámaras de alta velocidad para ver chorros de plasma en el laboratorio, el profesor Bellán y el estudiante graduado Auna Moser han descubierto un fenómeno sorprendente que ofrece pistas sobre cómo se produce la reconexión magnética. Ellos describen sus resultados en un artículo publicado este 16 de febrero en la revista Nature.
“Tratar de entender la naturaleza mediante el uso de técnicas de ingeniería es de hecho un sello distintivo de la División de Ingeniería y Ciencias Aplicadas en el Caltech,” dice Ares Rosakis, Theodore von Kármán profesor de Aeronáutica y del profesor de ingeniería mecánica y el presidente de la ingeniería y ciencia aplicada.
En los experimentos, Auna Moser disparó chorros de hidrógeno, nitrógeno, argón y plasma a velocidades de aproximadamente 10 a 50 kilómetros por segundo a través de una distancia de más de 20 centímetros en el vacío. El plasma es un gas tan caliente que los átomos son despojados de sus electrones. Como throughway de aceleración de electrones, los chorros actúan como cables eléctricos.
El experimento requiere 200 millones de vatios de potencia para producir jets abrasadores de 20.000 grados Kelvin y llevan a una corriente de 100.000 amperios. Para el estudio de los chorros, Moser utiliza cámaras que pueden tomar una instantánea en menos de un microsegundo, o una millonésima de segundo.
Como en todas las corrientes eléctricas, los electrones que fluyen en el chorro de plasma generan un campo magnético, que luego ejerce una fuerza sobre el plasma. Estas interacciones electromagnéticas entre el campo magnético y el plasma pueden causar que el chorro se retuerza y forma un sacacorchos en rápida expansión. Este comportamiento, llamado inestabilidad de torcedura, se ha estudiado durante casi 60 años, dice Bellan.
Pero cuando Moser observó de cerca este comportamiento en los chorros de plasma experimentales, vio algo totalmente inesperado.
Ella encontró que la mayoría de las veces -se forma un sacacorchos que se desarrolla en un jet que crece de manera exponencial y muy rápido. Los chorros en el experimento de forma de 20 centímetros de largo en bobinas de tan sólo 20 a 25 microsegundos. También notó pequeñas ondulaciones que comenzaron a aparecer en el borde interior de la bobina justo antes de la reacción que se rompió el momento en que había una reconexión magnética.
En un principio, Moser y Bellan dijeron que no sabían lo que estaban viendo, que sólo sabían que era extraño. “Pensé que era un error de medición”, dice Bellan. “Pero fue demasiado reproducible. Lo Estábamos viendo día a día. Al principio, pensé que nunca lo entendería.”
Pero después de meses de experimentos adicionales, determinó que la inestabilidad de torcedura de hecho genera un tipo completamente diferente de fenómeno, conocido como inestabilidad de Rayleigh-Taylor.
La inestabilidad de Rayleigh-Taylor ocurre cuando un fluido pesado que se encuentra en la parte superior de un fluido de luz trata de cambiar de lugar con el fluido de la luz. Las ondas se forman y crecen en la interfase entre los dos, permitiendo que los líquidos puedan intercambiar lugares.
Lo que Moser y Bellan cuentan es que la inestabilidad de torcedura crea las condiciones que dan lugar a una inestabilidad de Rayleigh-Taylor. Como el plasma en espiral se expande -debido a la inestabilidad de la torcedura, se acelera hacia el exterior.
Al igual que un pasajero está siendo empujado hacia atrás en el asiento de un coche acelerando, el plasma acelerado se empuja hacia abajo sobre el vacío detrás de él.
El plasma trata de intercambiar lugares con el vacío que se va perdiendo por la formación de ondas que a continuación se expanden, igual que cuando la gravedad obliga a un fluido pesado para tratar de cambiar lugares con un líquido por debajo de la luz.
La inestabilidad de Rayleigh-Taylor revelada por la ondulación en el lado trasero de la aceleración de plasma crece en aproximadamente un microsegundo.
“La gente no ha observado nada como esto antes”, dice Bellan.
A pesar de que la inestabilidad de Rayleigh-Taylor ha sido estudiada por más de 100 años, nadie había considerado la posibilidad de que pudiera ser causada por una inestabilidad de torcedira, dice Bellan. Los dos tipos de inestabilidades son tan diferentes que al verlos tan de cerca, juntos fue un shock. “Nadie pensaba que había una conexión”, dice.
Lo que es notable es que las dos inestabilidades se producen en escalas muy diferentes, señalan los investigadores. Mientras que la bobina creada por la inestabilidad de retorcimiento abarca unos 20 centímetros, la inestabilidad de Rayleigh-Taylor es mucho menor, haciendo ondulaciones de sólo dos centímetros de largo.
Sin embargo, esas ondas más pequeñas rápidamente erosionan el jets, obligando a los electrones a que fluyan más rápido y más rápido a través de un canal de estrechamiento. “Básicamente, se están ahogando” explica Bellan. Pronto, los saltos de jet, causan una reconexión magnética.
La reconexión magnética en el sol a menudo implica fenómenos que abarcan escalas de un millón de metros a unos pocos metros. En las escalas más grandes, la física es relativamente simple y directa.
Sin embargo, en las escalas más pequeñas, la física se vuelve más sutil y compleja, y es en este régimen que la reconexión magnética se lleva a cabo. La reconexión magnética es también una cuestión clave en el desarrollo de la fusión termonuclear como futura fuente de energía con los plasmas en el laboratorio.
Uno de los principales avances en este estudio, dicen los investigadores, es ser capaz de relacionar los fenómenos a gran escala, tales como la inestabilidad de torcedura, a los de pequeña escala, tales como la inestabilidad de Rayleigh-Taylor.
Los investigadores señalan que, a pesar de la torsión y de las inestabilidades de Rayleigh-Taylor no pueden manejar la reconexión magnética en todos los casos, este mecanismo es una explicación plausible de por lo menos algunos escenarios de la naturaleza y el laboratorio.
El título de Moser y Bellan de la naturaleza del papel es “reconexión magnética de una cascada de inestabilidad multiescala”. Esta investigación fue financiada por el Departamento de Energía de EE.UU., la National Science Foundation, y la Fuerza Aérea Oficina de Investigación Científica.
