Reconexão magnética

A reconexão magnética é um processo físico nos plasmas altamente condutores, onde a topologia do campo magnético é reorganizada e parte da energia magnética é convertida em energia cinética , térmica e partículas aceleradas . Este fenômeno se desenvolve em uma escala de tempo intermediária entre a lenta difusão resistiva do campo magnético e a rápida escala de Alfvén .

Fundamentos

De acordo com a teoria da magnetohidrodinâmica resistiva (MHD) , a reconexão ocorre porque a resistividade elétrica do plasma perto da camada limite se opõe à corrente elétrica necessária para suportar a mudança na topologia do campo magnético. A necessidade de tal corrente elétrica é ilustrada por uma das equações de Maxwell ,

A resistividade da folha de corrente permite que o fluxo magnético em ambos os lados se difunda através da folha de corrente, cancelando assim o fluxo do outro lado do limite. Quando isso acontece, o plasma é empurrado para fora por forças de tensão magnética ao longo das linhas magnéticas. A queda de pressão resultante atrai ainda mais plasma e fluxo magnético para a região central, iniciando um processo autossustentável.

Um problema atual na física do plasma é que os fenômenos de reconexão observados ocorrem muito mais rápido do que o previsto por MHD em grandes plasmas de contagem de Lundquist  : erupções solares, por exemplo, avançam em cerca de 13 a 14 ordens de magnitude. Mais rápido do que um cálculo simples e ingênuo poderia sugerir , e ainda várias ordens de magnitude mais rápido do que os modelos teóricos atuais mais sofisticados, que incluem turbulência e efeitos cinéticos. Duas teorias concorrentes tentam explicar essas diferenças. Postula-se que a turbulência eletromagnética na camada limite é grande o suficiente para espalhar elétrons, aumentando assim a resistividade local do plasma. Isso permitiria que o fluxo magnético se difundisse mais rapidamente.

Características

Interpretação física

Qualitativamente, o processo de reconexão pode ser descrito como segue. As linhas de campo magnético de diferentes domínios magnéticos (definidos aqui pela conectividade de suas linhas de campo) se separam e se conectam com as de outro domínio, alterando assim seu padrão de conectividade. Isso pode acontecer quando a chamada aproximação de campo congelado não é mais adequada para descrever plasma e pode concentrar energia mecânica ou magnética no espaço e no tempo. As erupções solares , as maiores explosões no sistema solar , provavelmente envolvem reconectar grandes áreas de fluxo magnético à superfície do Sol , liberando em minutos energia magnética que foi armazenada no campo magnético por horas ou dias. Reconexão magnética na Terra magnetosfera é um dos mecanismos responsáveis pela aurora polar . Ocorre na magnetosfera terrestre durante uma atividade solar significativa e gera tempestades magnéticas . Os astrônomos acreditam que ele também poderia desempenhar um papel importante para a aceleração de partículas na astrofísica de altíssima energia , por exemplo, no ambiente dos Núcleos Ativos de Galáxias . Na Terra, o fenômeno de reconexão é uma das dificuldades encontradas durante os experimentos de fusão por confinamento magnético .

Em um plasma que é um bom condutor elétrico, as linhas do campo magnético são agrupadas por domínio, constituindo feixes de linhas magnéticas conectadas de um lugar a outro, topologicamente distintas das linhas de domínios vizinhos. Esta topologia é geralmente preservada mesmo quando o próprio campo magnético é fortemente perturbado pela presença de correntes variáveis ​​ou pelo movimento de fontes magnéticas. Com efeito, de acordo com a lei de Lenz, a possível variação de campo cria fortes correntes induzidas no plasma condutivo, que se opõem a esta variação e, consequentemente, se opõem à mudança de topologia das linhas de campo. A reconexão requer a superação deste feedback.


Tipos de reconexão

Em duas dimensões, o exemplo mais comum de reconexão magnética considera quatro domínios magnéticos separados que 'trocam' as linhas de campo. Os domínios são separados por divisórias , superfícies curvas no espaço que separam diferentes feixes de fluxo magnético. Geometricamente falando, esses separadores podem ser comparados às membranas semelhantes a fáscias que separam os músculos de um organismo, já que as linhas de campo de um lado do separador terminam em um único pólo magnético, enquanto aquelas do outro lado da extremidade do separador em um pólo diferente com o mesmo sinal. Uma vez que cada linha de campo normalmente começa em um pólo magnético norte e termina em um pólo magnético sul, o método mais geral de divisão de sistemas de fluxo magnético simples envolve quatro domínios separados por dois divisores: a área de uma linha divisória divide o fluxo em dois feixes, cada um deles compartilhando o mesmo pólo sul, e a superfície do outro separador divide o fluxo em dois feixes, cada um deles compartilhando o mesmo pólo norte. A interseção dos dois separadores forma um separador , que em três dimensões é uma única linha na fronteira entre os quatro domínios magnéticos. Nesse tipo de divisão de reconexão , as linhas de campo chegam ao divisor de dois dos domínios, reconectam e saem do divisor nos outros dois domínios (consulte a figura).

Em três dimensões, a geometria das linhas de campo torna-se mais complicada e a reconexão pode ocorrer em regiões onde não há separador, mas então onde as linhas de campo são conectadas por gradientes íngremes. Essas regiões são conhecidas como camadas quasi-separatrix (QSLs ) e foram observadas em configurações teóricas e erupções solares.

Notas e referências

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