Vlasiator presenta: soluciones a un misterio central en la física espacial

Por Universidad de Helsinki22 de agosto de 2023

Erupciones de plasma en el espacio cercano a la Tierra. El modelo Vlasiator de la Universidad de Helsinki demostró que tanto la reconexión magnética como las inestabilidades cinéticas son responsables de las erupciones de plasma en el espacio cercano a la Tierra, proporcionando conocimientos vitales para la investigación y la tecnología espaciales. Crédito: Jani Närhi

Vlasiator, a supercomputer model for simulating near-Earth space, has revealed that plasmaPlasma is one of the four fundamental states of matter, along with solid, liquid, and gas. It is an ionized gas consisting of positive ions and free electrons. It was first described by chemist Irving Langmuir in the 1920s." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Las erupciones de plasma en el espacio cercano a la Tierra están influenciadas tanto por la reconexión magnética como por las inestabilidades cinéticas. Si bien las teorías han debatido durante mucho tiempo la causa, el modelado 6D de Vlasiator mostró que ambas teorías coexisten y funcionan al mismo tiempo. Esta información es crucial para el diseño de naves espaciales, futuras investigaciones y mejorar las predicciones del clima espacial.

¿Cómo se forman las erupciones de plasma en el espacio cercano a la Tierra? Vlasiator, un modelo diseñado en la Universidad de Helsinki para simular el espacio cercano a la Tierra, demostró que las dos teorías centrales sobre la ocurrencia de erupciones son simultáneamente válidas: las erupciones se explican tanto por reconexión magnética como por inestabilidades cinéticas.

Los plasmoides, o rápidas erupciones de plasma, ocurren en el lado nocturno de la magnetosfera. Los plasmoides también están asociados con el brillo repentino de la aurora. Utilizando el modelo Vlasiator, el grupo de investigación de física espacial de la Universidad de Helsinki investiga y simula estas erupciones difíciles de predecir en el espacio cercano a la Tierra.

"Los fenómenos asociados con los plasmoides causan las perturbaciones magnéticas más intensas pero menos predecibles, que pueden causar, por ejemplo, perturbaciones en las redes eléctricas", dice la profesora de Física Espacial Computacional Minna Palmroth de la Universidad de Helsinki.

"Estas erupciones ocurren a diario, en diferentes tamaños, en la 'cola' de la magnetosfera".

Palmroth, que recientemente recibió la Medalla Copérnico, es también director del Centro de Excelencia en Investigación del Espacio Sostenible y el investigador principal de la simulación Vlasiator.

"La cadena de acontecimientos que conducen a los plasmoides es una de las cuestiones sin resolver que lleva más tiempo en la física espacial: se han buscado soluciones desde la década de 1960", afirma Palmroth.

Se han propuesto dos líneas de pensamiento opuestas para explicar el curso de los acontecimientos; la primera afirma que la reconexión magnética corta una parte de la cola magnética en un plasmoide. Según la otra explicación, las inestabilidades cinéticas alteran la lámina de corriente (una distribución amplia y delgada de corriente eléctrica) que mantiene la cola, lo que eventualmente resulta en la expulsión de un plasmoide. Los debates sobre la primacía de estos dos fenómenos se han prolongado durante décadas.

"Ahora parece que las causalidades son, de hecho, más complejas de lo que se pensaba anteriormente", dice Palmroth.

La simulación Vlasiator, que requiere la potencia de procesamiento de una supercomputadora, modeló por primera vez el espacio cercano a la Tierra en seis dimensiones y en una escala correspondiente al tamaño de la magnetosfera. El modelado 6D logró describir los fenómenos físicos subyacentes a ambos paradigmas.

"Fue un desafío técnico difícil que nadie más ha podido modelar", dice Palmroth. Detrás del logro hay más de 10 años de desarrollo de software. En consecuencia, el estudio pudo demostrar que tanto la reconexión magnética como las inestabilidades cinéticas explican el funcionamiento de la cola magnética. Los fenómenos asociados con estas teorías aparentemente contradictorias en realidad ocurren ambos, y simultáneamente.

El hallazgo ayuda a comprender cómo pueden ocurrir las erupciones de plasma. Esto ayuda a diseñar naves y equipos espaciales, observar estos eventos para futuras investigaciones y mejorar la previsibilidad del clima espacial al mejorar la comprensión del espacio cercano a la Tierra.

The findings were recently published in the distinguished journal, Nature Geoscience<span class="st"> Nature Geoscience is a monthly peer-reviewed scientific journal published by the Nature Publishing Group that covers all aspects of the Earth sciences, including theoretical research, modeling, and fieldwork. Other related work is also published in fields that include atmospheric sciences, geology, geophysics, climatology, oceanography, paleontology, and space science. </span><span class="st">It was established in January 2008.</span>" data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Geociencia de la naturaleza.

Referencia: “Erupciones de plasma de cola magnética impulsadas por reconexión magnética e inestabilidades cinéticas” por Minna Palmroth, Tuija I. Pulkkinen, Urs Ganse, Yann Pfau-Kempf, Tuomas Koskela, Ivan Zaitsev, Markku Alho, Giulia Cozzani, Lucile Turc, Markus Battarbee, Maxime Dubart, Harriet George, Evgeniy Gordeev, Maxime Grandin, Konstantinos Horaites, Adnane Osmane, Konstantinos Papadakis, Jonas Suni, Vertti Tarvus, Hongyang Zhou y Rumi Nakamura, 29 de junio de 2023, Nature Geoscience.DOI: 10.1038/s41561-023-01206-2