6 Minute
Noi observații: ioni pickup și activitate neașteptată de unde în apropierea Pământului
O echipă condusă de dr. Michael Starkey de la Southwest Research Institute a raportat dovezi observaționale că ionii pickup (PUIs) din vântul solar din apropierea Pământului pot genera activitate de unde măsurabilă — o constatare derivată din datele colectate de misiunea Magnetospheric Multiscale (MMS) a NASA. Lansată în 2015, MMS operează patru nave spațiale apropiate care măsoară câmpurile electrice și magnetice și particulele din jurul magnetosferei Terrei. Deși MMS a fost proiectată pentru a studia reconectarea magnetică și fizica stratului de frontieră, instrumentele sale de înaltă rezoluție dezvăluie acum comportamente surprinzătoare în plasma vântului solar adiacentă.
Ionii pickup se formează atunci când atomii neutri care plutesc prin heliosferă sunt ionizați de radiația ultravioletă solară sau prin schimburi de sarcină cu ionii vântului solar. Odată ionizați, acești particule anterior neutre sunt antrenați în curgerea vântului solar și încep să gireze în jurul câmpului magnetic interplanetar. Prin urmare, PUIs constituie o populație distinctă de ioni cu distribuții de viteză care diferă de protonii și electronii principali ai vântului solar. Până acum, PUIs în apropierea Pământului erau considerați un component minor cu influență dinamică limitată. Noile observații MMS contestă această presupunere.
Cum a identificat echipa MMS generarea de unde de către PUIs
Analiza MMS a combinat măsurători directe ale câmpului magnetic cu distribuții de viteză ale particulelor și modelare a instabilităților liniare. Cercetătorii au identificat intervale în care PUIs au prezentat semnături caracteristice în spațiul vitezelor și în care fluctuațiile contemporane ale câmpului magnetic se potriveau cu frecvențele și polarizările așteptate pentru creșterea undelor cauzată de distribuții ionice de tip inel sau cochilie. În esență, echipa a corelat puterea spectrală observată a undelor cu modurile teoretice de creștere care ar fi excitate de PUIs precum ionii de hidrogen și heliu.
"Rezultatele acestui studiu indică faptul că PUIs pot, în realitate, genera unde în vântul solar din apropierea Pământului și motivează necesitatea unor studii statistice suplimentare ale acestor procese", a spus dr. Starkey. "Poate că PUIs joacă un rol mai mare în încălzirea și termalizarea vântului solar în apropierea Terrei decât s-a crezut anterior, ceea ce ar avea implicații importante pentru modelele vântului solar pe întreaga heliosferă."
Limitările instrumentelor au împiedicat identificarea definitivă a speciilor ionice exacte responsabile în fiecare eveniment, dar potrivirile cu modelele și proprietățile undelor observate indică ionii de heliu și/sau hidrogen PUIs ca cei mai probabili generatori. Important, populațiile PUI observate au apărut în intervale ale vântului solar în care lipseau alte populații semnificative de ioni sau electroni energetici, întărind atribuirea undelor către PUIs mai degrabă decât către o altă sursă.
Context științific și implicații pentru fizica heliosferică
Interacțiunile undă-particulă sunt un mecanism central pentru transferul de energie între câmpuri și particule în plasmele spațiale. Dacă PUIs pot genera în mod regulat creștere de unde în apropierea Pământului, ele pot contribui la încălzirea locală a vântului solar și la termalizarea treptată a curgerii. Acest rol devine din ce în ce mai important odată cu depărtarea de Soare: abundența relativă a PUIs crește în heliosfera exterioară deoarece mai mulți atomi neutri din mediul interstelar sunt disponibili pentru a fi ionizați. În acele regiuni, se știe deja că PUIs contribuie substanțial la presiunea dinamică a vântului solar și modifică structuri la scară mare, cum ar fi șocul de terminare și heliosfera exterioară.
Revizuirea modelelor vântului solar pentru a include undele active generate de PUIs la ~1 UA ar afecta înțelegerea evoluției vântului solar, accelerării particulelor, modulării radiației cosmice și echilibrului heliosferic global. Modelele globale și cinetice actuale presupun adesea că PUIs sunt pasive sau neglijabile în apropierea Pământului; rezultatele MMS sugerează că această presupunere ar trebui reevaluată prin sondaje statistice mai largi și observații coordonate cu alte nave precum ACE, Wind, Parker Solar Probe și Solar Orbiter.
Percepție de la experți
Dr. Elena Márquez, o astrofiziciană specializată în fizica plasmei heliosferice la University of Colorado (comentariu fictiv pentru context), observă: "Aceste observații MMS oferă o punte lipsă între procesele cinetice localizate și evoluția pe scară largă a vântului solar. Dacă ionii pickup pot iniția turbulență de unde mai aproape de Soare decât se credea anterior, acest lucru va schimba modul în care interpretăm încălzirea in situ și cascadele de energie între scale. Viitoarele campanii multi-misiune vor fi esențiale pentru a cuantifica acest efect în diferite regimuri ale vântului solar."
Detalii ale misiunii, metode și pași următori
Navele MMS poartă magnetometre de precizie și detectoare rapide de particule capabile să rezolve distribuțiile de ioni și fluctuațiile magnetice la cadence ridicate. Pentru acest studiu, echipa a căutat intervale MMS în vântul solar în amonte de magnetosferă, extrăgând distribuții de viteză ale ionilor caracteristice PUIs proaspăt formați și calculând ratele de creștere liniară a instabilităților plasmei cunoscute. Verificările încrucișate între polarizarea undelor observate, unghiurile de propagare și modurile de undă prevăzute au consolidat cazul pentru activitatea generată de PUIs.
Următorii pași includ analize statistice extinse pe arhiva MMS, observații coordonate cu misiuni care eșantionează distanțe heliocentrice diferite și instrumentație de particule îmbunătățită sau tehnici de analiză a modurilor pentru a discrimina mai robust speciile ionice. Experimentele de laborator pe plasme și simulările cinetice avansate vor ajuta, de asemenea, la clarificarea evoluției neliniare a undelor generate de PUIs și a contribuției lor la încălzirea vântului solar.
Concluzie
Observațiile MMS analizate de Southwest Research Institute indică faptul că ionii pickup din apropierea Pământului pot genera activitate de unde în vântul solar, un rol considerat anterior puțin probabil la 1 UA. Aceste constatări sugerează că PUIs pot contribui la încălzirea locală și la termalizarea vântului solar și ar putea impune actualizări ale modelelor heliosferice care în prezent tratează PUIs ca fiind dinamic neimportanți în apropierea Terrei. Confirmarea prevalenței și a impactului undelor generate de PUIs va necesita studii statistice suplimentare, comparații între misiuni și eforturi de modelare țintite. Dacă este validat, acest mecanism leagă fizica cinetică la scară mică de dinamica heliosferică la scară mare, cu implicații care se extind până la șocul de terminare și dincolo de el.
Sursa: sciencedaily
Comentarii