Ondas de Alfvén: a força oculta que superaquece a coroa solar

Um novo estudo investigou o misterioso aquecimento da coroa solar, significativamente mais quente que a superfície do Sol, através das lentes das ondas cinéticas de Alfvén (KAWs).

Pesquisas na Universidade do Alabama em Huntsville investigaram como essas ondas transportam energia e contribuem para o aquecimento coronal solar. O estudo explorou o papel da energia eletromagnética em plasmas espaciais, focando em como os KAWs interagem com partículas, transformando essa energia em calor. Este trabalho pode fornecer insights críticos sobre a física solar, particularmente na compreensão da disparidade de temperatura entre a superfície do Sol e sua atmosfera.

Desvendando os mistérios do aquecimento solar corona

Um pesquisador da Universidade do Alabama em Huntsville (UAH) explorou aspectos críticos de um fenômeno chamado ondas cinéticas de Alfvén (KAWs) para fornecer novos insights sobre um antigo mistério da heliofísica em um novo estudo publicado em O Revista Astrofísica. Syed Ayaz, assistente de pesquisa de pós-graduação no Centro de Plasma Espacial e Pesquisa Aeronômica (CSPAR) da UAH, examinou o papel potencialmente fundamental dos KAWs no aquecimento da coroa solar, levando a ciência um passo mais perto de resolver o enigma de por que a coroa é muitas vezes mais quente do que a superfície do próprio Sol.

A coroa, ou atmosfera solar, é uma região que se estende oito milhões de quilômetros acima da superfície do Sol e é caracterizada por temperaturas extraordinariamente altas.

O papel das ondas cinéticas de Alfvén na física solar

“Por décadas, as ondas de Alfvén provaram ser as melhores candidatas para transportar energia de um lugar para outro”, diz Ayaz, observando o papel potencial dos KAWs na condução do calor coronal. “Este artigo utiliza uma nova abordagem para modelar partículas energéticas em plasmas espaciais, conforme observado por satélites como Viking e Freja, para responder como a energia eletromagnética das ondas, interagindo com partículas, se transforma em calor durante o processo de amortecimento conforme as ondas se movem pelo espaço. Nossa investigação explora os campos eletromagnéticos perturbados, o vetor de fluxo de Poynting e a taxa de entrega de energia dos KAWs na atmosfera solar.”

A corona, ou atmosfera solar, é uma região enigmática que cerca nossa estrela natal que se estende muito além do disco visível do Sol, estendendo-se por cerca de oito milhões de quilômetros acima da superfície do Sol. No entanto, a corona também é caracterizada por temperaturas extraordinariamente altas, um mistério que cativou astrofísicos por quase setenta anos.

Syed Ayaz, assistente de pesquisa de pós-graduação no Centro de Plasma Espacial e Pesquisa Aeronômica (CSPAR) da UAH. Crédito: Syed Ayaz

Pesquisando ondas de Alfvén em escalas cinéticas

“Syed é um dos nossos alunos excepcionais que está apenas começando sua carreira de pesquisa”, diz o Dr. Gary Zank, diretor do CSPAR e presidente da Aerojet Rocketdyne do Departamento de Ciência Espacial da UAH. “Seu interesse permanente nas ondas de Alfvén, iniciado enquanto estudante no Paquistão ao trabalhar com seu mentor, Dr. Imran A. Kahn, agora resultou em sua investigação dessas ondas em escalas muito pequenas, a chamada escala cinética em uma plasma. Seu trabalho oferece insights importantes sobre o problema crítico de como a energia em um campo magnético é transformada para aquecer um plasma que compreende partículas carregadas como prótons e elétrons. Uma razão pela qual o trabalho de Syed é importante é porque ainda não entendemos por que a atmosfera do Sol tem mais de um milhão de graus, em comparação com a superfície do Sol, que é comparativamente fria, 6.500 graus.”

Ondas cinéticas de Alfvén – abundantes por todo o universo de plasma – são oscilações dos íons e do campo magnético conforme eles se movem pelo plasma solar. As ondas são formadas por movimentos na fotosfera, a camada externa do Sol que irradia luz visível.

“Meu interesse principal por essas ondas foi despertado pelos lançamentos do Sonda Solar Parker e missões Solar Orbiter, que levantaram a questão crucial de como a coroa solar é aquecida”, diz Ayaz. “Até agora, nenhuma missão de nave espacial forneceu previsões sobre esses fenômenos próximos ao Sol, especificamente, dentro da faixa de 0 a 10 raios solares. Nosso foco principal é investigar o aquecimento por KAWs dentro dessas faixas na coroa solar.”

Trocas aquecidas: KAWs e transferência de energia

“Nós focamos no aquecimento e na troca de energia facilitados por KAWs”, observa o pesquisador. “A razão para o grande interesse nessas ondas está em sua capacidade de transportar energia. Dados observacionais de inúmeras naves espaciais e investigações teóricas têm consistentemente demonstrado que KAWs se dissipam e contribuem para o aquecimento coronal solar durante sua propagação no espaço.”

Devido a essas propriedades únicas, as ondas fornecem um mecanismo crítico para transferência de energia, importante para entender a troca de energia entre campos eletromagnéticos e partículas de plasma. “KAWs operam em pequenas escalas cinéticas e são capazes de suportar flutuações paralelas de campo elétrico e magnético, permitindo uma transferência de energia entre o campo de onda e partículas de plasma por meio de um fenômeno chamado interações de Landau”, diz Ayaz. “O presente trabalho utilizou e explora o mecanismo de amortecimento de Landau, que ocorre quando partículas que se movem paralelamente a uma onda têm velocidades comparáveis ​​à velocidade de fase da onda.”

Implicações para a pesquisa da atmosfera solar

O amortecimento de Landau é uma diminuição exponencial em função do tempo de ondas específicas no plasma. “Quando as partículas interagem com a onda, elas recebem/perdem energia – um termo chamado 'condição ressonante'”, diz Ayaz. “Isso pode resultar na onda entregando sua energia às partículas ou ganhando energia delas, fazendo com que as partículas amorteçam ou cresçam. Nossa pesquisa descobriu que os KAWs se dissipam rapidamente, transferindo completamente sua energia para as partículas de plasma na forma de aquecimento. Essa transferência de energia acelera as partículas em distâncias espaciais maiores, impactando significativamente a dinâmica do plasma.”

Os insights analíticos obtidos neste estudo encontrarão aplicação prática na compreensão de fenômenos na atmosfera solar, particularmente esclarecendo o papel significativo desempenhado por partículas não térmicas nos processos de aquecimento.

Referência: “Aquecimento Coronal Solar por Ondas Cinéticas de Alfvén” por Syed Ayaz, Gang Li e Imran A. Khan, 26 de julho de 2024, O Jornal Astrofísico.
DOI: 10.3847/1538-4357/ad5bdc