Reconexión magnética

La "reconexión magnética" es un proceso físico que ocurre en plasmas altamente conductores en el que la topología magnética se reorganiza y la energía magnética se convierte en energía cinética, energía térmica y aceleración de partículas.

[4]​ y se publicó por primera vez en la literatura abierta en su artículo seminal de 1961.

El teorema del flujo congelado afirma que en tales regiones el campo se mueve con la velocidad del plasma (la media de las velocidades de iones y electrones, ponderada por su masa).

y esta ecuación se reduce a la ley de Ampére para cargas libres.

La caída de presión resultante atrae más plasma y flujo magnético hacia la región central, dando lugar a un proceso autosostenido.

Los modelos numéricos globales MHD de la magnetosfera, que utilizan las ecuaciones del MHD ideal, siguen simulando la reconexión magnética a pesar de que se trata de una ruptura del MHD ideal.

Esto suele denominarse "resistividad numérica" y las simulaciones tienen valor predictivo porque el error se propaga según una ecuación de difusión.

Las fulguraciones solares, por ejemplo, se producen 13-14 órdenes de magnitud más rápido de lo que sugeriría un cálculo ingenuo, y varios órdenes de magnitud más rápido que los modelos teóricos actuales que incluyen turbulencia y efectos cinéticos.

Un posible mecanismo para explicar la discrepancia es que la turbulencia electromagnética en la capa límite sea lo suficientemente fuerte como para dispersar electrones, aumentando la resistividad local del plasma.

Esto permitiría que el flujo magnético se difundiera más rápidamente.

Esta topología se conserva aproximadamente incluso cuando el propio campo magnético está fuertemente distorsionado por la presencia de corrientes variables o el movimiento de fuentes magnéticas, porque los efectos que de otro modo podrían cambiar la topología magnética inducen corrientes parásitas en el plasma; las corrientes parásitas tienen el efecto de cancelar el cambio topológico.

En tres dimensiones, la geometría de las líneas de campo se vuelve más complicada que en el caso bidimensional y es posible que se produzca reconexión en regiones donde no existe separador, pero con las líneas de campo conectadas por gradientes pronunciados.

[11]​[12]​ El primer marco teórico de la reconexión magnética fue establecido por Peter Sweet y Eugene Parker en una conferencia en 1956.

[14]​ El modelo Sweet-Parker describe la reconexión magnética independiente del tiempo en el marco MHD resistivo cuando los campos magnéticos de reconexión son antiparalelos (dirigidos opuestamente) y los efectos relacionados con la viscosidad y la compresibilidad no son importantes.

Esta relación utiliza que el campo magnético se invierte sobre una distancia de

Las simulaciones numéricas de la reconexión magnética bidimensional suelen coincidir con este modelo.

La teoría y las simulaciones numéricas demuestran que la mayor parte de las acciones de los choques que propuso Petshek pueden llevarse a cabo mediante ondas Alfvén y, en particular, discontinuidades rotacionales (RD).

En el modelo de Sweet-Parker, la suposición común es que la difusividad magnética es constante.

Esto se puede estimar usando la ecuación de movimiento para un electrón con masa

, entonces la ecuación anterior junto con la definición de corriente eléctrica,

es la densidad del número de electrones, da como resultado Sin embargo, si la velocidad de deriva de los electrones supera la velocidad térmica del plasma, no se puede alcanzar un estado estacionario y la difusividad magnética debe ser mucho mayor que la dada en lo anterior.

Otro mecanismo propuesto se conoce como difusión de Bohm a través del campo magnético.

, sin embargo, su efecto, similar al de la resistividad anómala, sigue siendo demasiado pequeño en comparación con las observaciones.

[19]​ En la reconexión estocástica,[20]​ campo magnético tiene un componente aleatorio de pequeña escala que surge debido a la turbulencia.

[22]​ Este modelo estocástico es independiente de la física a pequeña escala, como los efectos resistivos, y depende sólo de los efectos turbulentos.

[23]​ A grandes rasgos, en el modelo estocástico, la turbulencia lleva líneas de campo magnético inicialmente distantes a pequeñas separaciones donde pueden reconectarse localmente (reconexión tipo Sweet-Parker) y separarse de nuevo debido a la difusión turbulenta super- lineal turbulenta (difusión de Richardson[24]​).

, el límite superior para la velocidad de reconexión viene dado por donde

Este modelo ha sido probado con éxito mediante simulaciones numéricas.

Debido a que los iones pueden moverse a través de un "cuello de botella" más amplio cerca de la capa de corriente y debido a que los electrones se mueven mucho más rápido en MHD Hall que en MHD estándar, la reconexión puede proceder más rápidamente.

La reconexión de dos fluidos/sin colisión es particularmente importante en la magnetosfera terrestre.