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Viento polar

La fuente de plasma de la Tierra, que muestra iones de oxígeno, helio e hidrógeno que brotan al espacio desde regiones cercanas a los polos de la Tierra. La zona amarilla tenue que se muestra sobre el polo norte representa el gas que se pierde desde la Tierra hacia el espacio; la zona verde es la aurora boreal , o energía de plasma que se vierte de nuevo a la atmósfera. [1]

El viento polar o fuente de plasma es una salida permanente de plasma desde las regiones polares de la magnetosfera de la Tierra . [2] : 29  Conceptualmente similar al viento solar , es uno de varios mecanismos para la salida de partículas ionizadas . Se cree que los iones acelerados por un campo eléctrico de polarización conocido como campo eléctrico ambipolar son la causa principal del viento polar. Procesos similares operan en otros planetas. [3]

Historia

En 1966, Bauer [4] y, por separado, Dessler y Michel [5] observaron que, dado que el campo geomagnético de la Tierra por encima de los polos forma una larga cola que se aleja del Sol más allá de la órbita de la Luna, los iones deberían fluir desde la región de mayor presión en la ionosfera hacia el espacio. [6] El término "viento polar" fue acuñado [7] entre  1937  y 1968 en un par de artículos de Banks y Holzer [8] y de Ian Axford . [9] Dado que el proceso por el cual el plasma ionosférico fluye lejos de la Tierra a lo largo de las líneas del campo magnético es similar al flujo de plasma solar que se aleja de la corona del Sol (el viento solar ), Axford sugirió el término "viento polar".

La caracterización experimental más temprana del viento polar provino del Explorer 33 de 1966 y, especialmente, de los proyectos satelitales ISIS-2 de 1974. [10] [11] Los datos adicionales del Dynamics Explorer de 1981 generaron cierta incertidumbre en los modelos teóricos sobre el papel de los iones fríos de O + . Esta cuestión se aclaró con los datos más completos del satélite Akebono de 1989, [7] : 1955  y el satélite Polar de 1996. [7] : 1966 

La idea del viento polar surgió del deseo de resolver la paradoja del balance de helio terrestre . Esta paradoja consiste en el hecho de que el helio en la atmósfera de la Tierra parece producirse (a través de la desintegración radiactiva del uranio y el torio ) más rápido de lo que se pierde al escapar de la atmósfera superior. El descubrimiento de que parte del helio podría ionizarse y, por lo tanto, escapar de la Tierra a lo largo de líneas de campo magnético abiertas cerca de los polos magnéticos (el "viento polar") es una posible solución a la paradoja.

Causas

Diagrama conceptual de los dos efectos principales del campo eléctrico ambipolar: la expansión de la ionosfera y la generación del viento polar. La neblina azul brillante que rodea la Tierra representa el plasma en la ionosfera. Las líneas brillantes representan el viento polar que fluye hacia arriba y hacia afuera. [12]

Después de 30 años de investigación, se ha demostrado que la causa "clásica" del viento polar es el flujo ambipolar de plasma térmico: aceleración de iones por un campo eléctrico de polarización en la ionosfera. [2] : 451  El campo eléctrico de polarización o ambipolar se propuso originalmente en la década de 1920 para atmósferas estelares ionizadas . [11] : 1927  La separación de carga gravitacional crea un campo que asciende a donde es el campo gravitacional y es la masa iónica media, la mitad de la diferencia entre la masa de los iones con carga simple y el electrón. Esta fórmula simple solo es aplicable en un plasma en equilibrio hidrostático. Modelos más complejos aplicables a plasmas reales muestran una mayor intensidad de campo. En cualquier caso, el campo es muy pequeño pero, a diferencia de otras fuerzas, apunta lejos de la gravedad. [11] : 1927  En plasma de baja densidad a gran altitud, abruma la gravedad para iones ligeros.

En la región del viento polar, el plasma ionosférico se expande y la baja densidad permite que la gravedad tire de los iones hacia abajo en relación con los electrones en el plasma. La separación de carga da como resultado el campo eléctrico que luego envía algunos de los iones hacia arriba y fuera de la atmósfera. [13] : 147  Este mecanismo se conoce como "flujo de salida ambipolar" [14] y el campo como "campo eléctrico ambipolar" o "campo eléctrico de polarización". Otros mecanismos incluyen la aceleración de iones por fotoelectrones solares que escapan a lo largo de las líneas del campo magnético . [14]

Los iones que salen del campo eléctrico ambipolar terminan acumulándose en la plasmasfera si siguen líneas de campo magnético cerradas, pero los iones que siguen líneas de campo magnético abiertas salen del sistema terrestre. [13] : 167  Los iones que siguen líneas de campo magnético abiertas son empujados lejos del Sol por fuerzas del viento solar (convección antisolar). [13] : 149 

Medidas

Se han puesto en marcha numerosas investigaciones sobre el viento polar, entre ellas ISIS-2 , Dynamics Explorer , el satélite Akebono y el satélite Polar , que abarcan una variedad de altitudes, latitudes y tiempos relativos al ciclo solar . Algunas de las conclusiones incluyen: [7]

El campo eléctrico ambipolar o de polarización se midió directamente en 2022 mediante un cohete sonda lanzado desde Svalbard . Esta misión de la NASA se llamó Endurance. [12] Al comparar el potencial eléctrico a una altitud de 250 km con el de 768 km se obtuvo una diferencia de +0,55 voltios con una incertidumbre de 0,09 voltios. [15] El voltaje es similar al que se utiliza en la pila de un reloj de pulsera, pero es suficiente para tener en cuenta el viento polar. [16]

Véase también

Referencias

  1. ^ Fuente de plasma Fuente, nota de prensa: Carlowicz, Mike; "El viento solar exprime parte de la atmósfera terrestre hacia el espacio", diciembre de 1998
  2. ^ ab Schunk, RW; Nagy, Andrew (2000). Ionosferas: física, física del plasma y química . Serie de ciencias atmosféricas y espaciales de Cambridge. Nueva York: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-63237-9.
  3. ^ Gronoff, G.; Arras, P.; Baraka, S.; Bell, JM; Cessateur, G.; Cohen, O.; Curry, SM; Drake, JJ; Elrod, M.; Erwin, J.; Garcia-Sage, K.; Garraffo, C.; Glocer, A.; Heavens, NG; Lovato, K. (agosto de 2020). "Procesos de escape atmosférico y evolución atmosférica planetaria". Revista de investigación geofísica: Física espacial . 125 (8). arXiv : 2003.03231 . Código Bibliográfico :2020JGRA..12527639G. doi :10.1029/2019JA027639. ISSN  2169-9380.
  4. ^ Bauer, SJ (1966). "La estructura de la ionosfera superior". En Frihagen, J. (ed.). Perfiles de densidad electrónica en la ionosfera y la exosfera . Holanda Septentrional.
  5. ^ Dessler, AJ; Michel, FC (1 de marzo de 1966). "Plasma en la cola geomagnética". Revista de investigación geofísica . 71 (5): 1421–1426. doi :10.1029/JZ071i005p01421.
  6. ^ Schunk, RW; Sojka, JJ (junio de 1997). "Sistema global de vientos ionosférica y polar durante cambios en la actividad magnética". Revista de investigación geofísica: Física espacial . 102 (A6): 11625–11651. doi :10.1029/97JA00292. ISSN  0148-0227.
  7. ^ abcde Yau, Andrew W.; Abe, Takumi; Peterson, WK (1 de noviembre de 2007). "El viento polar: observaciones recientes". Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics . Avances recientes en las teorías y observaciones del viento polar. 69 (16): 1936–1983. doi :10.1016/j.jastp.2007.08.010. ISSN  1364-6826.
  8. ^ Banks, Peter M.; Holzer, Thomas E. (1968). "El viento polar". Revista de investigación geofísica . 73 (21): 6846–6854. Código Bibliográfico :1968JGR....73.6846B. doi :10.1029/JA073i021p06846.
  9. ^ Axford, W. Ian (1968). "El viento polar y el balance de helio terrestre". Revista de investigación geofísica . 73 (21): 6855–6859. Código Bibliográfico :1968JGR....73.6855A. doi :10.1029/JA073i021p06855.
  10. ^ Hoffman, JH; Dodson, WH; Lippincott, CR; Hammack, HD (1974-10-01). "Resultados iniciales de la composición iónica del satélite Isis 2". Journal of Geophysical Research . 79 (28): 4246–4251. doi :10.1029/JA079i028p04246.
  11. ^ abc Lemaire, JF; Peterson, WK; Chang, T.; Schunk, RW; Barakat, AR; Demars, HG; Khazanov, GV (1 de noviembre de 2007). "Historia de los modelos cinéticos del viento polar y observaciones tempranas". Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics . Avances recientes en las teorías y observaciones del viento polar. 69 (16): 1901–1935. doi :10.1016/j.jastp.2007.08.011. ISSN  1364-6826.
  12. ^ ab Lacey Young (28 de agosto de 2024), Descubrimiento del tercer campo energético global de la Tierra, NASA
  13. ^ abc Welling, Daniel T.; André, Mats; Dandouras, Iannis; Delcourt, Dominique; Fazakerley, Andrew; Fontaine, Dominique; Foster, John; Ilie, Raluca; Kistler, Lynn; Lee, Justin H.; Liemohn, Michael W.; Slavin, James A.; Wang, Chih-Ping; Wiltberger, Michael; Yau, Andrew (2015). "La Tierra: fuentes de plasma, pérdidas y procesos de transporte". Space Science Reviews . 192 (1–4): 145–208. Código Bibliográfico :2015SSRv..192..145W. doi :10.1007/s11214-015-0187-2. ISSN  0038-6308.
  14. ^ ab Schunk, RW (1 de noviembre de 2007). "Simulaciones dependientes del tiempo del viento polar global". Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics . Avances recientes en las teorías y observaciones del viento polar. 69 (16): 2028–2047. Bibcode :2007JASTP..69.2028S. doi :10.1016/j.jastp.2007.08.009. ISSN  1364-6826.
  15. ^ Collinson, Glyn A.; et al. (29 de agosto de 2024). «Campo electrostático ambipolar de la Tierra y su papel en el escape de iones al espacio». Nature . 632 (8027): 1021–1025. doi :10.1038/s41586-024-07480-3 . Consultado el 26 de septiembre de 2024 .
  16. ^ "Descubrimiento del tercer campo energético de la Tierra". svs.gsfc.nasa.gov . Consultado el 12 de septiembre de 2024 .

Enlaces externos