Nova teoria explica o mistério por trás da reconexão magnética

O estudo identifica a física que permite explosões magnéticas rápidas no espaço que causam as erupções solares e as ejeções de massa coronal que provocam condições climáticas espaciais

Helena Dornelas*

postado em 28/04/2022 18:13 / atualizado em 28/04/2022 18:29

Erupções solares e as ejeções de massa coronal no ol são causadas pela "reconexão magnética" - (crédito: IMAGE COURTESY OF NASA CONCEPTUAL IMAGE LABORATORY)

Quando as linhas do campo magnético de direções opostas se fundem, elas criam explosões que têm o poder de liberar grandes quantidades de energia. Quando isso acontece no Sol, a fusão das linhas de campos magnéticos opostos causam explosões solares e ejeções de massa coronal, que são grandes erupções de gás em altas temperaturas. Essas explosões tendem a ser gigantes e podem viajar para a Terra dentro de um dia.

O processo de reconexão magnética é onde linhas de campo magnético de diferentes domínios magnéticos são divididas entre si, mudando o padrão e conectividade em relação às suas fontes. Embora a ideia seja conhecida, os pesquisadores tentam ao longo das décadas entender e explicar o que a física precisa por trás da rápida liberação de energia que ocorre.

Um estudo feito pela Universidade de Dartmouth, nos Estados Unidos, e publicado na revista Físicas da Comunicação mostra a primeira descrição teórica do fenômeno conhecido como “efeito Hall”, que determina a eficiência da reconexão magnética.

"A taxa na qual as linhas de campo magnético se reconectam é de extrema importância para processos no espaço que podem impactar a Terra", disse Yi-Hsin Liu, professor assistente de física e astronomia em Dartmouth. "Após décadas de esforço, temos agora uma teoria completa para resolver este problema de longa data."

A reconexão magnética existe em toda a natureza em plasmas, o quarto estado da matéria, e preenche a maior parte do visível. Essa reconexão acontece quando linhas de campo magnético de direções opostas são atraídas umas para as outras, quebram-se, voltam a se unir e depois se afastam novamente.

No caso de reconexão magnética, o rompimento das linhas magnéticas força o plasma magnetizado a altas velocidades. Assim, a energia é criada e deslocada para plasmas através de uma força de tensão como aquela que ejeta objetos.

A reconexão magnética ocorre quando linhas de campo magnético de direções opostas se fundem, se unem novamente e se separam, liberando enormes quantidades de energia para aquecer plasmas e acionar vazões de alta velocidade. (foto: Yi-Hsin Liu/Dartmouth College)

A pesquisa se concentra no problema da taxa de reconexão, o componente chave da reconexão magnética que descreve a velocidade da ação na qual as linhas magnéticas convergem e se separam.

Estudos anteriores descobriram que o "efeito Hall" na interação entre as correntes elétricas e os campos magnéticos que as cercam, cria as condições para uma rápida reconexão magnética. Porém, até agora, os pesquisadores não conseguiram explicar os detalhes de como exatamente o "efeito Hall" aumenta a taxa de reconexão.

O estudo de Dartmouth mostra que o “efeito Hall” encerra a conversão de energia do campo magnético em partículas de plasmas. Isto limita a quantidade de pressão no ponto onde onde elas se fundem, forçando as linhas do campo magnético a curvar e apertar, resultando na geometria de vazão e reconexão.

"Esta teoria aborda o importante quebra-cabeça do porquê e como o “efeito Hall” torna a reconexão tão rápida", disse Liu, que é um dos líderes da equipe de teoria e modelagem da Missão Magnetosfera Multiescala (MMS) da NASA. "Com esta pesquisa, também explicamos o processo explosivo de liberação de energia magnética que é fundamental e onipresente nos plasmas naturais".

Essa nova teoria poderia promover o entendimento técnico das erupções solares e dos eventos de ejeção de massa coronal que provocam condições climáticas espaciais e distúrbios elétricos na Terra. Além de usar a taxa de reconexão para estimar as escalas de tempo das erupções solares, ela também pode ser usada para determinar a intensidade de substratos geomagnéticos, e a interação entre o vento solar e a magnetosfera da Terra.

A equipe de pesquisa da universidade está sendo financiada pela pela National Science Foundation (NSF) e pela NASA, além de estar trabalhando junto com a Missão Magnetosférica Multiescala da NASA para analisar a reconexão magnética na natureza. Os dados são coletados de quatro satélites que voam em formação apertada ao redor da magnetosfera terrestre como parte da missão da NASA que será usada para validar a descoberta teórica.

Xiaocan Li, Dartmouth, pesquisadora pós-doutorada (esquerda); Yi-Hsin Liu, professor assistente de Física e Astronomia (centro); Shan-Chang Lin, candidato a doutorado (direita). (foto: Robert Gill/Dartmouth College)

"Este trabalho demonstra que os conhecimentos teóricos fundamentais reforçados pelas capacidades de modelagem podem fazer avançar a descoberta científica" explicou o diretor do programa da NSF, Vyacheslav Lukin. "As implicações tecnológicas e sociais destes resultados são intrigantes, pois podem ajudar a prever os impactos do clima espacial na rede elétrica, desenvolver novas fontes de energia e explorar novas tecnologias de propulsão espacial".

Um outro estudo pode informar estudos de reconexãoem dispositivos de fusão magneticamente confinados e plasmas atrofísicos próximos a estrelas de nêutrons e buracos negros. Apesar de não haver uso de corrente aplicada, nem estudos que confirmem, alguns pesquisadores consideraram a possibilidade de usar reconexão magnética em propulsores de naves espaciais.

* Estagiária sob supervisão de Roberto Fonseca

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  Erupções solares e as ejeções de massa coronal no ol são causadas pela "reconexão magnética" Foto: IMAGE COURTESY OF NASA CONCEPTUAL IMAGE LABORATORY
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  A reconexão magnética ocorre quando linhas de campo magnético de direções opostas se fundem, se unem novamente e se separam, liberando enormes quantidades de energia para aquecer plasmas e acionar vazões de alta velocidade. Foto: Yi-Hsin Liu/Dartmouth College
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  Xiaocan Li, Dartmouth, pesquisadora pós-doutorada (esquerda); Yi-Hsin Liu, professor assistente de Física e Astronomia (centro); Shan-Chang Lin, candidato a doutorado (direita). Foto: Robert Gill/Dartmouth College