Multi-Ion: Transporte de energía y procesos disipativos en la heliosfera interna: el papel de la reconexión magnética y las ondas de ciclotrón en plasmas multi-iónicos

Observaciones del viento solar constatan que se trata de un fluido turbulento. La turbulencia en plasmas involucra un acoplamiento complejo entre campos electromagnéticos y distorsiones de las distribuciones de velocidad de partículas, dando lugar a propiedades alejadas del equilibrio térmico. De qué manera la energía contenida en fluctuaciones electromagnéticas y de velocidad a escalas grandes es transferida a escalas cinéticas, y cómo este mecanismo característico de fluidos en régimen turbulento afecta a las partículas de dicho fluido siguen siendo de las grandes preguntas sin resolver en física de plasmas, cuya respuesta tendría implicaciones importances tanto plasmas astrofísicos como de los de laboratorio. La heliosfera es un medio caracterizado por la presencia de fenómenos no lineales como la generación de ondas de choque, estructuras coherentes, reconexión magnética o aceleración de partículas. Este medio representa el mejor laboratorio natural para el estudio de los plasmas a escalas cinéticas, en las que tienen lugar muchos de los procesos anteriormente mencionados. La interacción entre el viento solar y la magnetosfera terrestre por medio, principalmente, de la reconexión magnética es responsable de la actividad geomagnética, la cual puede dar lugar a las magníficas auroras boreales, pero también a eventos de la meteorología espacial potencialmente peligrosos.

Gracias a las nuevas misiones espaciales destinadas al estudio del Sol, Parker Solar Probe (PSP, lanzada por la NASA en 2018) y Solar Orbiter (SolO, una misión conjunta ESA/NASA lanzada en 2020) es posible estudiar, con resoluciones temporales extremadamente altas, la evolución radial del viento solar mientras se expande en la heliosfera interna, esto es, desde la corona solar hasta 1 unidad astronómica (UA). Es más, el estudio de procesos físicos que se desarrollen en el plasma se beneficiará significativamente por el conocimiento extraido de misiones espaciales cercanas a la Tierra, tal como la misión Magnetospheric MultiScale (MMS, lanzada por la NASA en 2015), la cual provee de medidas multi-satélite tanto de la magnetosfera terrestre como del viento solar a 1 UA, con una resolución temporal que alcanza frecuencias características de los electrones. Estudiaremos en detalle dos procesos que se espera que tengan un papel importante en el transporte y disipación de la energía magnética en la heliosfera interna y en plasmas espaciales en general: la reconexión magnética y las ondas de ciclotrón. Ambos procesos tienen lugar a escalas cinéticas, por lo que dependerán de la composición iónica del plasma. Las misiones espaciales relacionadas con este proyecto poseen una capacidad sin precedentes para resolver la naturaleza multi-iónica de la heliosfera interna a escalas cinéticas. Las medidads relizadas por dichas misiones estarán centradas en la microfísica del transporte y la conversión de energía en el viento solar y se complementarán con simulaciones numéricas de varios modelos que modelizen dichos procesos.

Multi-ion

Figura: Representación de las interacciones Tierra-Sol y la heliosfera interna. Autoría: NASA

Objectivos:

Este proyecto tiene por objetivo dar respuesta a las siguientes cuestiones científicas:

  • ¿Cómo evolucionan la reconexión magnética y las ondas EMIC al aumentar la distancia heliosférica, incluyendo la corona solar externa?
  • ¿Ocurre la reconexión magnetica en la corona solar externa?, ¿a qué escalas tiene lugar?, ¿es importante para la generación del viento solar?, ¿son los latigazos magnéticos o switchbacks una señal de la ausencia de reconexión magnética?
  • ¿De qué manera empieza el proceso de reconexión en la lámina de corriente heliosférica? ¿Es común que se produzca reconexión magnética a escalas grandes en la lámina de corriente heliosférica?
  • ¿Es estacionaria la reconexión magnética a las escalas de tiempo características de los iones pesados? ¿En qué regiones?
  • ¿De qué manera la reconexión magnética es capaz de modificar la anisotropía de temperatura en función de la masa y la carga?
  • ¿Dónde se generan preferentemente las ondas EMIC en el viento solar?, ¿son fuerte o débilmente amortiguadas?
  • ¿Bajo qué condiciones los vectores de onda de las ondas EMIC pueden subtender ángulos grandes con el campo magnético medio?
  • ¿Qué bandas de energía de las ondas EMIC prevalecen en función de la zona del viento solar y de la distancia heliosférica?
  • ¿Cuál es la microfísica que facilita la amplificación y el transporte de las ondas por iones pesados?
  • ¿Cómo pueden las diferentes poblacionesiónicas afectar al transporte y a la disipación de energía mediante ondas EMIC?

Impacto esperado de los resultados:

Existen diversas razones para estudiar los procesos físicos en los plasmas del viento solar y en las magnetosferas del sistema solar. Primero de todo, porque constituyen un laboratorio natural accesible a satélites espaciales, permitiendo así obtener medidas in-situ de campos electromagnéticos, ondas y funciones de distribución de partícular en el plasma. Una de las principales ventajas de este laboratorio natural es que las escalas espaciales de los plasmas espaciales son mucho mayores que el tamaño de los satélites, lo que permite realizar medidas de las funciones de distribución de partículas con una resolución imposible de conseguir en plasmas generados en laboratorios convencionales. Por tanto, poner satélites a diferentes distancias heliosféricas o dentro de las magnetosferas planetarias nos provee de datos de incalculable valor sobre la estuctura interna y naturaleza de los procesos físicos que tienen lugar en los plasmas. Estas observaciones directas permiten validar y extender los actuales modelos teóricos y numéricos sobre los plasmas de manera iterativa, permitiendo así extrapolar las observaciones a otros plasmas que no son accesibles a medidas directas, como los mágnetars, los discos de acreción estelar, los vientos estelares o las magnetosferas de exoplanetas, por nombrar unos pocos ejemplos.

Otro motivo de peso para estudiar los plasmas de nuestro sistema solar, y en particular el viento solar y el del entorno cercano a la Tierra, es para entender y eventualmente predecir eventos de meteorología espacial. La meteorología espacial es un término que se refiere a varios procesos que se dan en lo plasmas y que, en última instancia, pueden llegar a dañar o averiar infraestructuras humanas que dependen de dispositivos espaciales o situados cerca de las regiones polares. Por ejemplo, durante las llamadas "tormentas geomagnéticas" pueden inducirse corrientes de mucha intensidad en las redes eléctricas de paises en latitudes altas y dañar por completo sus transformadores eléctricos. Las partículas energéticas provenientes de los cinturones de radiación, del Sol y del medio interestelar suponen además un riesgo tanto para los astronautas como para los satélites. Las señales GPS también se ven frecuentemente afectadas por alteraciones del plasma de la ionosfera, llamadas centelleos, que resultan en interrupciones del servicio de geolocalización, lo que supone un serio riesgo para los sistemas de aviación.

Equipo del proyecto:

  • Dr. S. Toledo-Redondo, IP del proyecto (Universidad de Murcia, España)
  • Dr. A. Salinas (Universidad de Granada, España)
  • Dr. J. Portí (Universidad de Granada, España)
  • Dr. E. A. Navarro (Universidad de València, España)
  • A. Castilla, estudiante de doctorado (Universidad de Murcia, España)
  • I.F. Albert, estudiante de doctorado (Universidad de Murcia, España)
  • Dr. T. Phan (Universidad de California, Berkeley)
  • Dr. B. Lavraud (CNRS, Francia)
  • Dr. Y. Zouganelis (Agencia Espacial Europea)

Difusión de resultados:

Artículos científicos:

  • Dargent, J., Toledo-Redondo, S., Divin, A., & Innocenti, M. E. (2023). Energy conversion by magnetic reconnection in multiple ion temperature plasmas. Geophysical Research Letters, 50, e2023GL103324. DOI: https://doi.org/10.1029/2023GL103324
  • A. Divin, I. Zaitsev, I. Paramonik, V. Semenov, D. Korovinskiy, A. Mao, J. P. Dargent, S. Toledo-Redondo, J. Deca; Cold ion crescent echoes in the exhaust of symmetric magnetic reconnection. Phys. Plasmas 1 June 2023; 30 (6): 062901. DOI: https://doi.org/10.1063/5.0155958
  • Evolution of coronal hole solar wind in the inner heliosphere: Combined observations by Solar Orbiter and Parker Solar Probe D. Perrone, S. Perri, R. Bruno, D. Stansby, R. D’Amicis, V. K. Jagarlamudi, R. Laker, S. Toledo-Redondo, J. E. Stawarz, D. Telloni, R. De Marco, C. J. Owen, J. M. Raines, A. Settino, B. Lavraud, M. Maksimovic, A. Vaivads, T. D. Phan, N. Fargette, P. Louarn and I. Zouganelis A&A, 668 (2022) A189 DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202243989
  • Navarro, E.A.; Navarro-Modesto, E.; Segura-Garcia, J.; Lopez-Ballester, J.; Portí, J.A. Operation of the Worldwide Lightning Location Network over Spain. Preprints 2023, 2023041254. DOI: https://doi.org/10.20944/preprints202304.1254.v1
  • Rodríguez-Camacho, J., Salinas, A., Carrión, M. C., Portí, J., Fornieles-Callejón, J., & Toledo-Redondo, S. (2022). Four year study of the Schumann resonance regular variations using the Sierra Nevada station ground-based magnetometers. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 127, e2021JD036051. DOI: https://doi.org/10.1029/2021JD036051
  • Salinas, A., Rodríguez-Camacho, J., Portí, J., Carrión, M. C., Fornieles-Callejón, J., & Toledo-Redondo, S. (2022). Schumann resonance data processing programs and four-year measurements from Sierra Nevada ELF station. Computers & Geosciences, 165, 105148. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cageo.2022.105148