Cotidiano, el sol expulsa grandes cantidades de una sopa de partículas calientes conocida como plasma hacia la Tierra, donde puede interrumpir los satélites de telecomunicaciones y dañar las redes eléctricas. Ahora, Científicos del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y del Departamento de Ciencias Astrofísicas de la Universidad de Princeton han hecho un descubrimiento que podría conducir a mejores predicciones de este clima espacial y ayudar a salvaguardar la infraestructura sensible.

El descubrimiento proviene de un nuevo modelo informático que predice el comportamiento del plasma en la región sobre la superficie del sol conocida como corona solar. El modelo se inspiró originalmente en un modelo similar que describe el comportamiento del plasma que alimenta las reacciones de fusión en instalaciones de fusión en forma de rosquilla conocidas como tokamaks.

Fusión, el poder que impulsa el sol y las estrellas, combina elementos ligeros en forma de plasma:el calor, estado cargado de la materia compuesta de electrones libres y núcleos atómicos, que genera cantidades masivas de energía. Los científicos buscan replicar la fusión en la Tierra para obtener un suministro de energía virtualmente inagotable para generar electricidad.

Los científicos de Princeton hicieron sus hallazgos mientras estudiaban campos magnéticos enlazados que entran y salen del sol. Bajo ciertas condiciones, los bucles pueden provocar la erupción de partículas calientes de la superficie del sol en enormes eructos conocidos como eyecciones de masa coronal. Esas partículas pueden eventualmente golpear el campo magnético que rodea la Tierra y causar auroras, así como interferir con los sistemas eléctricos y de comunicaciones.

"Necesitamos comprender las causas de estas erupciones para predecir el clima espacial, "dijo Andrew Alt, estudiante de posgrado en el Programa de Princeton en Física del Plasma en PPPL y autor principal del artículo que informa los resultados en el Diario astrofísico .

El modelo se basa en un nuevo método matemático que incorpora una visión novedosa que Alt y sus colaboradores descubrieron sobre las causas de la inestabilidad. Los científicos descubrieron que un tipo de sacudidas conocido como "inestabilidad del toro" podría provocar que los campos magnéticos enlazados se soltaran de la superficie del sol. desencadenando una inundación de plasma.

La inestabilidad del toro afloja algunas de las fuerzas que mantienen atadas las cuerdas. Una vez que esas fuerzas se debilitan, otra fuerza hace que las cuerdas se expandan y se eleven más lejos de la superficie solar. "La capacidad de nuestro modelo para predecir con precisión el comportamiento de las cuerdas magnéticas indica que nuestro método podría, en última instancia, utilizarse para mejorar la predicción del clima espacial, "Dijo Alt.

Los científicos también han desarrollado una forma de traducir con mayor precisión los resultados de laboratorio a las condiciones del sol. Los modelos anteriores se basaban en suposiciones que facilitaban los cálculos, pero no siempre simulaban el plasma con precisión. La nueva técnica se basa únicamente en datos brutos. "Las suposiciones integradas en modelos anteriores eliminan importantes efectos físicos que queremos considerar, "Alt dijo". Sin estas suposiciones, podemos hacer predicciones más precisas ".

Para realizar su investigación, los científicos crearon cuerdas de flujo magnético dentro del Experimento de Reconexión Magnética (MRX) de PPPL, una máquina en forma de barril diseñada para estudiar la unión y la ruptura explosiva de las líneas del campo magnético en el plasma. Pero las cuerdas de fundente creadas en el laboratorio se comportan de manera diferente a las cuerdas en el sol, ya que, por ejemplo, las cuerdas de fundente en el laboratorio deben estar contenidas por un recipiente de metal.

Los investigadores hicieron modificaciones a sus herramientas matemáticas para dar cuenta de estas diferencias, asegurando que los resultados de MRX puedan trasladarse al sol. "Hay condiciones en el sol que no podemos imitar en el laboratorio, "dijo el físico de PPPL Hantao Ji, un profesor de la Universidad de Princeton que asesora a Alt y contribuyó a la investigación. "Entonces, ajustamos nuestras ecuaciones para tener en cuenta la ausencia o presencia de ciertas propiedades físicas. Tenemos que asegurarnos de que nuestra investigación compare manzanas con manzanas para que nuestros resultados sean precisos ".

El descubrimiento del comportamiento tembloroso del plasma también podría conducir a una generación más eficiente de electricidad impulsada por fusión. La reconexión magnética y el comportamiento plasmático relacionado se producen tanto en los tokamaks como en el sol, por lo que cualquier conocimiento sobre estos procesos podría ayudar a los científicos a controlarlos en el futuro.

El apoyo para esta investigación provino del DOE, la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio, y la Fundación de Investigación Alemana. Los socios de investigación incluyen la Universidad de Princeton, Laboratorios Nacionales Sandia, la Universidad de Potsdam, el Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica, y la Academia de Ciencias de Bulgaria.

PPPL, en el campus de Forrestal de la Universidad de Princeton en Plainsboro, NUEVA JERSEY., se dedica a crear nuevos conocimientos sobre la física de los plasmas:ultracalientes, gases cargados y el desarrollo de soluciones prácticas para la creación de energía de fusión. El laboratorio es administrado por la Universidad para la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU., que es el mayor patrocinador de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más urgentes de nuestro tiempo. Para más información, visite energy.gov/science