Los físicos dirigidos por la Universidad de Iowa informan evidencia definitiva de que las auroras que iluminan el cielo en las latitudes altas son causadas por electrones acelerados por una poderosa fuerza electromagnética llamada ondas Alfven. Crédito:Fotografía de la auroral:Alex Gerst, NASA; Visualización de datos experimentales:Steve Vincena, Universidad de California, los Angeles
La aurora boreal o auroras boreales, que llenan el cielo en regiones de latitudes altas han fascinado a la gente durante miles de años. Pero cómo se crean mientras se teoriza, no había sido probado de manera concluyente.
En un nuevo estudio, un equipo de físicos liderado por la Universidad de Iowa informa evidencia definitiva de que las auroras más brillantes son producidas por poderosas ondas electromagnéticas durante tormentas geomagnéticas. Los fenómenos conocido como olas Alfven, acelerar los electrones hacia la Tierra, haciendo que las partículas produzcan el familiar espectáculo de luces atmosféricas.
El estudio, publicado en línea el 7 de junio en la revista Comunicaciones de la naturaleza , concluye una búsqueda de décadas para demostrar experimentalmente los mecanismos físicos para la aceleración de electrones por ondas de Alfven en condiciones correspondientes a la magnetosfera auroral de la Tierra.
"Las mediciones revelaron que esta pequeña población de electrones sufre una 'aceleración resonante' por el campo eléctrico de la onda Alfven, similar a un surfista que atrapa una ola y se acelera continuamente a medida que el surfista se mueve junto con la ola, "dice Greg Howes, profesor asociado en el Departamento de Física y Astronomía de Iowa y coautor del estudio.
Los científicos han sabido que las partículas energizadas que emanan del sol, como los electrones que corren a aproximadamente 45 millones de millas por hora, se precipitan a lo largo de las líneas del campo magnético de la Tierra hacia la atmósfera superior. donde chocan con moléculas de oxígeno y nitrógeno, pateándolos a un estado de excitación. Estas moléculas excitadas se relajan emitiendo luz, produciendo los tonos coloridos de la aurora.
Los físicos dirigidos por la Universidad de Iowa informan evidencia definitiva de cómo se crean las auroras. En experimentos, los físicos demostraron los mecanismos físicos para la aceleración de electrones por las ondas de Alfven en las condiciones correspondientes a la magnetosfera auroral de la Tierra. Crédito:Austin Montelius.
La teoría fue apoyada por misiones de naves espaciales que frecuentemente encontraron ondas Alfven viajando hacia la Tierra por encima de las auroras. presumiblemente acelerando electrones a lo largo del camino. Aunque las mediciones basadas en el espacio habían apoyado la teoría, las limitaciones inherentes a las mediciones de las naves espaciales y los cohetes habían impedido una prueba definitiva.
Los físicos pudieron encontrar evidencia confirmatoria en una serie de experimentos llevados a cabo en el Dispositivo de Plasma Grande (LPD) en la Instalación de Ciencia Básica del Plasma de UCLA. una instalación de investigación colaborativa nacional apoyada conjuntamente por el Departamento de Energía de EE. UU. y la Fundación Nacional de Ciencias.
"La idea de que estas ondas pueden energizar los electrones que crean la aurora se remonta a más de cuatro décadas, pero esta es la primera vez que hemos podido confirmar definitivamente que funciona, "dice Craig Kletzing, profesor del Departamento de Física y Astronomía de Iowa y coautor del estudio. "Estos experimentos nos permiten realizar las mediciones clave que muestran que las mediciones espaciales y la teoría lo hacen, Por supuesto, explica una forma importante en la que se crean las auroras ".
El fenómeno de los electrones "navegando" en el campo eléctrico de una onda es un proceso teórico conocido como amortiguación de Landau, propuesto por primera vez por el físico ruso Lev Landau en 1946. Mediante simulaciones numéricas y modelos matemáticos, los investigadores demostraron que los resultados de su experimento concordaban con la firma predicha para la amortiguación de Landau.
El acuerdo del experimento, simulación, y el modelado proporciona la primera evidencia directa de que las ondas de Alfven pueden producir electrones acelerados, provocando la aurora, dice Troy Carter, profesor de física en UCLA y director del Instituto de Ciencia y Tecnología del Plasma de UCLA.
"Este desafiante experimento requirió una medición de la muy pequeña población de electrones que se mueven hacia abajo por la cámara LPD a casi la misma velocidad que las ondas Alfven, numerando menos de uno en mil de los electrones en el plasma, "Carter dice.
