James Wynne Dungey (1923–2015) [2] fue un científico espacial británico que fue fundamental en el establecimiento del campo del clima espacial e hizo contribuciones significativas a la comprensión fundamental de la física del plasma .
Dungey creció en Stamford, Lincolnshire , hijo de un maestro de escuela. Durante la Segunda Guerra Mundial, trabajó en la empresa británica Thompson-Houston en Rugby, en el desarrollo de radares . Tras el final de la guerra, se licenció en 1947 en el Magdalene College de Cambridge , parte de la Universidad de Cambridge . Luego completó un doctorado en la misma institución, bajo la supervisión de Fred Hoyle . [2]
De 1950 a 1953 Dungey trabajó en la Universidad de Sydney con Ron Giovanelli , de 1953 a 1954 en la Universidad Estatal de Pensilvania y de 1954 a 1957 de nuevo en la Universidad de Cambridge. De 1957 a 1959 fue profesor de matemáticas en el King's College, Newcastle upon Tyne (ahora Universidad de Newcastle) y de 1959 a 1963 trabajó en el Establecimiento de Armas Atómicas del Reino Unido . En 1963 se trasladó al Laboratorio Blackett del Imperial College de Londres , donde fue profesor de física desde 1965 hasta su jubilación en 1984. [3] [4]
Dungey introdujo el concepto de reconexión magnética , un mecanismo que no fue aceptado inicialmente pero que ahora se reconoce como de importancia fundamental en todas las áreas de la física del plasma (gas ionizado). La reconexión magnética tiene efectos clave en los plasmas astrofísicos, espaciales y de laboratorio al convertir la energía magnética en calor y partículas cargadas energizadas. También permite una amplia gama de fenómenos al reconfigurar las líneas del campo magnético. La reconexión es un proceso que ocurre en la corona solar, el espacio interplanetario, la magnetosfera de la Tierra, los tokamaks de fusión y muchos objetos astrofísicos. También es el factor de control clave en los efectos del clima espacial en los sistemas operativos, causando la liberación de energía en las erupciones solares y las eyecciones de masa coronal (CME) y siendo el mecanismo clave que transfiere energía del flujo del viento solar (y su mejora debido a las CME) al entorno espacial de la Tierra, la magnetosfera . [5] También es muy importante en la investigación de la fusión, causando problemas para el confinamiento magnético del plasma en los tokamaks , pero se aprovecha en algunos dispositivos para ayudar a comprimir el plasma.
Dungey estudió los orígenes del sistema conocido de corrientes en las ionosferas polares detectadas utilizando magnetómetros de alta latitud. [6] Su supervisor de doctorado, Fred Hoyle , lo había guiado hacia este trabajo después de que Hoyle examinara la tesis de doctorado de Ron Giovanelli en Sydney, Australia, una tesis que contenía el concepto de nulos magnéticos que actúan para alimentar las erupciones solares al aniquilar los campos magnéticos de dirección opuesta en las capas de corriente. Hoyle se preguntó si algún mecanismo de este tipo podría alimentar la aurora de la Tierra. Las innovaciones de Dungey fueron restringir la región de interacción magnética en la capa de corriente y predecir los cambios en la topología del campo magnético: esto permitió que las partículas energizadas y el flujo magnético reconectado escaparan a lo largo de la capa de corriente [3] [7]
Dungey inicialmente tuvo dificultades para publicar su trabajo. La revista más importante para la investigación de física espacial británica en ese momento era Monthly Notices of the Royal Astronomical Society , pero su envío allí fue rechazado. Por consejo de Sydney Chapman, presentó el trabajo a Philosophical Magazine , donde finalmente fue aceptado. [8] Había problemas técnicos con el mecanismo que debían ser superados. Por ejemplo, la teoría inicial de Parker y Sweet, [9] [10] aunque da reconexión magnética, no es lo suficientemente rápida y no podría entregar suficiente voltaje (que, por la ley de Faraday , es igual a la tasa de transferencia magnética de flujo). Esto fue resuelto por el aerodinámico Harry Petschek [11] que agregó frentes de choque que se encontraban en la entrada del sitio de reconexión: estos tienen una serie de efectos, pero abren crucialmente la región de salida para permitir una eyección más rápida del flujo y el plasma reconectados a lo largo de la capa de corriente, siendo esa la limitación para la reconexión de Parker-Sweet y la causa del estrangulamiento de la aniquilación magnética. Actualmente se reconoce que las ondas de Alfvén desempeñan el mismo papel .
Además de este problema válido que era necesario superar, se plantearon muchos otros problemas espurios: por ejemplo, la aplicación inadecuada de la " ley de Lenz " (un problema que Dungey conocía y había resuelto en su trabajo de doctorado) y objeciones filosóficas innecesarias al concepto de líneas de campo magnético en movimiento. El artículo de Dungey de 1961 describía lo que se dio en llamar el "modelo de magnetosfera abierta" y sólo precedió brevemente a la llegada de las mediciones in situ mediante naves espaciales. A medida que se acumulaban más datos espaciales, se hacía más larga la lista de características de la estructura y el comportamiento magnetosférico e ionosférico que se explicaban únicamente mediante su idea. [12] [13] Sin embargo, irónicamente, la aceptación del concepto fue más universal en áreas alejadas de la física magnetosférica, como la física solar, la astrofísica y la física del plasma en laboratorio (incluida la investigación sobre la fusión). [5] En particular, el premio Nobel Hannes Alfvén fue un crítico vocal, mordaz e influyente, que rechazó la reconexión junto con su propio (y ahora casi universalmente utilizado) concepto de flujo magnético congelado para plasmas de gran escala (también llamado " teorema de Alfvén " o "MHD ideal"), [14] que fue parte de la formulación de magnetohidrodinámica (MHD) por la que ganó el premio Nobel en 1970. La reconexión es una ruptura de la MHD ideal que ocurre en láminas de corriente delgadas y proporciona la solución a una de las mayores objeciones a la MHD ideal al desenredar las líneas de campo que de otro modo estarían cada vez más enredadas por las cizallas y vórtices de velocidad del plasma si se aplicara la congelación sin ella. Hoy en día, la reconexión está bien establecida como un mecanismo clave que es vital para explicar la transferencia de masa, energía y momento del viento solar a la magnetosfera, lo que impulsa el clima espacial terrestre y la perturbación geomagnética. [5]
La circulación de plasma en la magnetosfera causada por la reconexión se denomina "convección" y a menudo se la denomina Ciclo de Dungey . Dungey la concibió como una circulación constante con campos eléctricos que se extienden por toda la magnetosfera (como predijo la ley de Faraday para el estado constante); sin embargo, los desequilibrios en los voltajes de reconexión en la magnetopausa del lado diurno y en la capa de corriente de cola del lado nocturno se reconocieron más tarde como la fuente del fenómeno del ciclo de subtormenta auroral . [15] La circulación de convección en la ionosfera y la magnetosfera para estas condiciones no constantes se explica mediante el modelo de "capa polar en expansión y contracción" (ECPC, por sus siglas en inglés) y el Ciclo de Dungey se entiende en términos de los movimientos del plasma (y del campo congelado) que devuelven el sistema magnetosfera-ionosfera al equilibrio después de haber sido perturbado por la reconexión del lado diurno y/o de la cola. [16]
La cita para la concesión del título de Miembro Honorario de la Sociedad Geofísica Europea (ahora Unión Europea de Geociencias ) en 1994 destacó la importancia y amplitud del trabajo de Dungey tanto como científico como en la formación de generaciones posteriores. [17]
Dungey fue el primero en proponer e investigar muchas características de la magnetosfera terrestre después de haber propuesto la reconexión magnética. Fue el primero en calcular la longitud de la cola geomagnética [18] y su valor concordaba bien con el hallado por las primeras misiones espaciales que visitaron esa región del espacio. [19] Predijo la "reconexión de lóbulos" cuando el campo magnético interplanetario apunta hacia el norte, [20] lo que se observa en naves espaciales en órbita baja (por ejemplo, durante el evento del huracán espacial ) y en observaciones de formas aurorales del lado diurno. [21] La reconexión de lóbulos tiene la importante implicación de que la magnetosfera rara vez, o nunca, es un sistema en equilibrio. [22] Dungey fue el primero en sugerir que las ondas MHD en la magnetosfera exterior eran las fuentes de las oscilaciones vistas en la superficie de la Tierra y que estas pulsaciones continuas eran un proceso resonante [23] y, en particular, reconoció el papel de las ondas de Kelvin-Helmholtz en los límites magnetosféricos en este contexto [24] y (con David Southwood ) demostró que estos fenómenos proporcionaban mecanismos y diagnósticos importantes. [25] [26] Fue el primero en reconocer la importancia del acoplamiento magnetosfera-ionosfera [27] y trabajó con su estudiante Stephen Knight en la generación de gotas de potencial alineadas al campo. [28] Propuso la difusión de partículas en los cinturones de radiación , [29] y (con Stan Cowley y Ted Speiser) ondas y partículas en las capas de corriente. [30] Dungey también fue el primero en reconocer que las interacciones giro-resonantes entre las ondas en modo silbador y los electrones del cinturón de radiación de Van Allen son significativas para precipitar estos últimos en la ionosfera , [31] un mecanismo que es fundamental para los estudios modernos de los cinturones de radiación. [32]
Dungey también supervisó a una serie de físicos espaciales que luego hicieron contribuciones al campo, como David Southwood , Stan Cowley , [1] Jeff Hughes, [33] Don Fairfield [4] y Maha Ashour-Abdalla . [ cita requerida ] También fue partidario de las misiones propuestas e instalaciones que fueron utilizadas por la siguiente generación de científicos, como los radares European Incoherent Scatter ( EISCAT ) y la misión multiespacial Cluster de la Agencia Espacial Europea . Dungey fue el autor de la primera propuesta para Cluster, llamándola TOPS, "Sistema de sonda de observatorio tetraédrico". [34] [35] Eso fue en 1966, 30 años antes del primer intento de lanzar Cluster a bordo del desafortunado vuelo Ariane V88 de Ariane 5 y 34 años antes de que la misión de la nave espacial fuera lanzada con éxito.
La Conferencia James Dungey es presentada anualmente en su honor por la Royal Astronomical Society . [40]