junio 9, 2023

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La temperatura de las erupciones solares ayuda a comprender la naturaleza del plasma solar

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La rotación del Sol da como resultado cambios en su campo magnético, que cambia completamente cada 11 años más o menos, dando paso a una fase de intensa actividad.

Las erupciones solares, enormes erupciones de la superficie del sol que duran minutos u horas, emiten intensos estallidos de partículas y altos niveles de radiación electromagnética. La liberación de energía durante las erupciones solares calienta la cromosfera, provocando una ionización casi completa del hidrógeno atómico presente en la región.

La cromosfera es una fina capa de plasma situada al menos a 2.000 km por encima de la superficie visible del Sol (fotosfera) y por debajo de la corona (atmósfera superior). El plasma es extremadamente denso y el hidrógeno se recombina a una velocidad muy alta, lo que lleva a un proceso repetido de ionización y recombinación de hidrógeno que produce un tipo distintivo de emisión de radiación en el rango ultravioleta conocido como Lyman Continuum (LyC) en la memoria de americanos. Físico Theodore Lehmann IV (1874-1954).

Las descripciones teóricas indican que la «temperatura de color» de LyC se puede relacionar con la temperatura del plasma que produce el brillo y, por lo tanto, la temperatura de color se puede utilizar para determinar la temperatura del plasma durante las tormentas solares.

Un nuevo estudio simuló las emisiones de docenas de erupciones solares diferentes y confirmó la correlación entre la temperatura de color de LyC y la temperatura del plasma en la región de la que estalló la llamarada. También confirma que se produce un equilibrio termodinámico local en la región entre el plasma y los fotones en LyC. Se ha publicado un artículo sobre el estudio en The Astrophysical Journal. El estudio fue apoyado por la FAPESP.

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El penúltimo autor del artículo es Paulo José de Aguiar Simoes, Profesor de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Presbiteriana Mackenzie (EE-UPM) en el estado de São Paulo, Brasil. «Hemos demostrado que la intensidad de LyC aumenta drásticamente durante las erupciones solares, y el análisis del espectro de Lyman realmente se puede usar para diagnosticar plasmas», dijo Simoes, quien también es investigador en el Centro McKinsey de Astronomía y Astrofísica (CRAAM).

Las simulaciones confirmaron un importante resultado obtenido por el astrónomo argentino Marcos Machado en el Laboratorio de Dinámica Solar, que mostró que la temperatura de color, que cae en la región de los 9.000 K (Kelvin) durante los períodos de calma, sube a 12.000-16.000 K durante las erupciones. El artículo en el que relata este hallazgo y del que también es coautor Simes, fue el último publicado por Machado. Murió en 2018, un experto en el sol de renombre mundial, mientras que el artículo fue revisado por pares.

Dinámica solar

Aquí vale la pena recordar lo poco que se sabe sobre la estructura y dinámica del Sol. La gran cantidad de energía que proporciona luz y calor a la Tierra se genera principalmente al convertir hidrógeno en helio en un proceso de fusión nuclear que tiene lugar en las profundidades de la estrella. Esta vasta región no es directamente observable porque la luz no atraviesa la «superficie» del Sol, que es de hecho la fotosfera.

Podemos observar el área justo por encima de la superficie. La primera capa, que se extiende hasta una altitud de unos 500 kilómetros, es la fotosfera, con una temperatura de unos 5.800 K, y aquí vemos manchas solares, en lugares donde los campos magnéticos que emergen del sol impiden la convección y mantienen el plasma relativamente frío. , y estas regiones producen las más oscuras que llamamos manchas solares.

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Por encima de la fotosfera, la cromosfera se extiende unos 2.000 km. «La temperatura de esta capa es más alta, superando los 10.000 K, y el plasma es menos denso. Debido a estas propiedades, el hidrógeno atómico está parcialmente ionizado, manteniendo separados los protones y los electrones».

En una delgada capa de transición en la parte superior de la cromosfera, la temperatura aumenta bruscamente a más de un millón de K y la densidad del plasma cae en varios órdenes de magnitud. Este calentamiento repentino del paso de la cromosfera a la corona es un fenómeno contrario a la intuición. Sería razonable esperar que la temperatura disminuya al aumentar la distancia desde la fuente.

«Todavía no tenemos una explicación. Los físicos solares han presentado varias propuestas, pero ninguna de ellas ha sido aceptada sin reservas por la comunidad», dijo Simoes.

La corona se extiende hacia el centro interplanetario, sin una región de transición bien definida. Los campos magnéticos del Sol ejercen una fuerte influencia sobre la corona, formando el plasma, especialmente en regiones activas que son fáciles de identificar en imágenes ultravioleta como la que muestra la característica correspondiente (https://agencia.fapesp.br/41378) en Agencia FAPESP. Las llamaradas solares ocurren en estas regiones activas.

«En estas tormentas solares, la energía acumulada en los campos magnéticos coronales se libera bruscamente, calentando el plasma y acelerando las partículas. Los electrones, que tienen menos masa, pueden acelerarse hasta un 30% de la velocidad de la luz. Algunas de estas partículas , que viajan a lo largo de líneas de fuerza magnética, se lanzan al medio interplanetario. Otros van en dirección opuesta, desde la corona a la cromosfera, donde chocan con el plasma más denso y transfieren su energía al medio. Este exceso de energía calienta el medio local. plasma, ionizando los átomos Simos dijo: «La dinámica de ionización y recombinación conduce a la persistencia de Lyman».

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Los brotes de actividad solar ocurren aproximadamente cada 11 años. Durante los períodos de intensa actividad, los efectos en la Tierra son significativos, incluyendo más auroras, interrupciones en las comunicaciones de radio, mayores efectos de centelleo en las señales GPS y mayor arrastre de los satélites, lo que reduce su velocidad y, por lo tanto, su altitud. órbitas. Estos fenómenos y propiedades físicas del medio interplanetario cercano a la Tierra se conocen como clima espacial.

Además del conocimiento fundamental que brindan, los estudios de la física de las erupciones solares también mejoran nuestra capacidad para predecir el clima espacial. Estos estudios siguen dos pasos: observación directa y simulación basada en modelos computacionales. Los datos de observación en diferentes bandas del espectro electromagnético nos permiten comprender mejor la evolución de las erupciones solares y las propiedades físicas del plasma involucrado en estos eventos. Los modelos computacionales, como los utilizados en nuestro estudio, sirven para probar hipótesis y verificar interpretaciones de observaciones porque nos permiten acceder a cantidades que no se pueden obtener directamente del análisis de datos observacionales».

Formación de la serie Lyman durante las erupciones solaresEl diario astrofísico (acceso abierto).

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