Las auroras polares son uno de los espectáculos más hermosos que ofrece nuestra atmosfera. Ahora un equipo de científicos ha demostrado y confirmado el mecanismo por el cual se produce el fenómeno, replicando su proceso en un laboratorio. La investigación fue publicada en Nature Communications.

Las auroras se producen debido a partículas arrastradas por tormentas solares, aceleradas a lo largo de las líneas del campo magnético de la Tierra hacia las latitudes más altas, donde caen a la atmósfera superior. Allí, las interacciones con las partículas de la atmósfera generan las encantadoras luces.

Ondas de Alfvén

De acuerdo a lo concluido por los científicos, se ha confirmado que las poderosas ondas electromagnéticas conocidas como ondas de Alfvén aceleran los electrones a lo largo de las líneas del campo magnético.

Las ondas de Alfvén fueron descritas por primera vez por el ingeniero eléctrico sueco Hannes Alfvén en 1942. Se trata de ondas transversales en un fluido eléctrico, las cuales se propagan a lo largo de las líneas del campo magnético. Estas ondas son un mecanismo importante en el transporte de energía y el impulso en sistemas magnetohidrodinámicos (para acelerar partículas).

Anteriormente se observaron ondas de Alfvén en las líneas del campo magnético de la Tierra, e incluso por encima de las auroras. Está ampliamente aceptado que dichas ondas desempeñan un papel en la aceleración de los electrones de las auroras, pero determinar cuál es exactamente ha sido algo complicado.

El estudio

El equipo de científicos dirigido por el físico Jim Schroeder utilizó el Dispositivo de Plasma Grande (LAPD) de la Universidad de California para observar más de cerca el fenómeno, el cual consta de una cámara de vacío cilíndrica de 20 metros de largo y 1 metro de diámetro, con un potente campo magnético.

“Este desafiante experimento requirió una medición de la pequeña población de electrones que se mueven hacia abajo de la cámara del LAPD a casi la misma velocidad que las ondas de Alfvén”, dijo el físico Troy Carter de UCLA.

Los autores generaron ondas de Alfvén en plasma en el LAPD y midieron simultáneamente la distribución de la velocidad de los electrones, en condiciones relevantes para la formación de auroras. Descubrieron que las ondas de Alfvén transferían energía a los electrones en resonancia con las ondas, a una velocidad similar a la de fase de las ondas.

“Las mediciones revelaron que esta pequeña población de electrones experimenta una ‘aceleración resonante’ por el campo eléctrico de la onda Alfvén, similar a un surfista que atrapa una ola y se acelera continuamente a medida que el surfista se mueve junto con la ola”, explicó el físico Greg Howes de la Universidad de Iowa.

Amortiguamiento de Landau

Este proceso es conocido como amortiguamiento de Landau, porque la transferencia de energía de la onda a la partícula amortigua la onda, ello a su vez evita que surja una inestabilidad. Según el análisis, la firma producida por la velocidad del electrón era la conocida de la amortiguación de Landau, indicando que se había producido una aceleración de resonancia.

Más tarde, al comparar sus resultados con un modelo de aurora, el equipo pudo demostrar que la tasa de energización de los electrones era consistente con la amortiguación de Landau en la realidad. Esta es la primera confirmación experimental del hermoso fenómeno.