Los físicos informan acerca de la evidencia definitiva de cómo se forman las auroras polares. En sus experimentos, han demostrado los mecanismos físicos de la aceleración de electrones mediante las ondas de Alfvén, bajo condiciones que se corresponden con la magnetosfera auroral de la Tierra.
La aurora boreal, también denominada «luces del norte» llena los cielos nocturnos en regiones de latitud elevada. Es un fenómeno que ha fascinado a todo el mundo durante miles de años. Se ha teorizado pero, sin embargo, el proceso de su creación no se ha sido explicado de manera concluyente.
En un nuevo estudio, un equipo de físicos dirigidos por la Universidad de Iowa han llegado a una conclusión definitiva. Las auroras más brillantes se producen por potentes ondas electromagnéticas durante tormentas geomagnéticas. El fenómeno, conocido como «ondas de Alfvén», acelera los electrones hacia la Tierra, provocando que las partículas produzcan ese espectáculo atmosférico de luz y color tan familiar. Nota del autor: particularmente me siento privilegiado de haber podido disfrutar, en Islandia, de tal espectáculo.
La importancia de las ondas de Alfvén
El estudio se publicó online en la revista Nature Communications el 7 de junio de 2021. Da respuesta a una investigación, por décadas, demostrando experimentalmente los mecanismos de aceleración de electrones por las ondas de Alfvén bajo condiciones que se corresponden con la magnetosfera auroral de la Tierra.
«Las mediciones revelan que esta pequeña población de electrones experimentan una ‘aceleración resonante’ por el campo eléctrico de las ondas de Alfvén, similar a cuando un surfista coge una ola y es continuamente acelerado cuando se mueve a lo largo de la ola» asegura Greg Howes, co-autor del estudio y profesor asociado en el Departamento de Física y Astronomía en Iowa.
Los científicos han descubierto que las partículas energizadas que emanan del Sol –tales como electrones moviéndose a 72.000.000 km/h– se precipitan hacia la alta atmósfera a lo largo de las líneas del campo magnético de la Tierra. Es entonces cuando colisionan con las moléculas de oxígeno y nitrógeno, provocando que pasen a un estado excitado de energía. Estas moléculas excitadas vuelven a su estado de reposo emitiendo luz, produciendo las tonalidades de color de la aurora.
La teoría fue apoyada por las misiones espaciales que hallaron frecuentemente ondas de Alfvén viajando hacia la Tierra por encima de las auroras, presumiblemente acelerando electrones en su camino. Aunque las mediciones espaciales soportaron la teoría, las limitaciones inherentes de las mediciones en naves espaciales han impedido una prueba definitiva.
Los físicos fueron capaces de hallar una evidencia confirmatoria en una serie de experimentos dirigidos por el Large Plasma Device (LPD) en la UCLA’s Basic Plasma Science Facility, una instalación colaborativa de investigación, apoyada conjuntamente por el U.S. Department of Energy y la National Science Foundation.
Así se forman las auroras polares
«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 sido capaces de confirmar definitivamente que funciona». Son palabras de Craig Kletzing, profesor del Departamento de Física y Astronomía en Iowa y co-autor del estudio. «Estos experimentos nos permiten realizar las mediciones clave que muestran que la teoría así como los experimentos espaciales explican un mayor proceso mediante el cual se forman las auroras polares.»
El fenómeno de los electrones «surfeando» en el campo eléctrico de una onda es un proceso teórico conocido como «Landau damping» o amortiguamiento de Landau. Fue descubierto por el físico ruso Lev Davidovich Landau en 1946. A través de simulaciones numéricas y modelos matemáticos, los investigadores han demostrado que los resultados de su experimento concuerdan con la firma pronosticada para el «amortiguamiento de Landau».
El acuerdo del experimento, simulación y modelaje proporciona la primera evidencia directa de que las ondas de Alfvén pueden acelerar los electrones, provocando una aurora, asegura Troy Carter, profesor de física en UCLA y director de UCLA Plasma Science and Technology Institute.
«Este desafiante experimento requirió una medición de una muestra muy pequeña de población de electrones bajando a la cámara del LPD, a aproximadamente la misma velocidad de las ondas de Alfvén, estimando menos de un 1/1000 de electrones en el plasma,» declaró Carter.
[ Fuentes consultadas:
- University of Iowa. Physicists report definitive evidence how auroras are created. 7 de junio de 2021.
- Material proporcionado por la University of Iowa. Documento original escrito por Richard C. Lewis.
- J. W. R. Schroeder, G. G. Howes, C. A. Kletzing, F. Skiff, T. A. Carter, S. Vincena, S. Dorfman. Laboratory measurements of the physics of auroral electron acceleration by Alfvén waves. Nature Communications, 2021; 12 (1) DOI: 10.1038/s41467-021-23377-5. ]
