viento polar

El viento polar o fuente de plasma es una salida permanente de plasma de las regiones polares de la magnetosfera terrestre . ^{[ 2 ] : 29} Conceptualmente similar al viento solar , es uno de los diversos mecanismos para la salida de partículas ionizadas . Se cree que los iones acelerados por un campo eléctrico de polarización conocido como campo eléctrico ambipolar son la causa principal del viento polar. Procesos similares operan en otros planetas. ^{[ 3 ]}

En 1966, Bauer ^{[ 4 ]} y, por separado, Dessler y Michel ^{[ 5 ]} observaron que, dado que el campo geomagnético de la Tierra sobre los polos forma una larga cola que se aleja del Sol más allá de la órbita de la Luna, los iones deberían fluir desde la región de mayor presión en la ionosfera hacia el espacio. ^{[ 6 ]} El término "viento polar" fue acuñado ^{[ 7 ] : en 1937} y 1968 en un par de artículos de Banks y Holzer ^{[ 8 ]} y de Ian Axford . ^{[ 9 ]} Dado que el proceso por el cual el plasma ionosférico fluye lejos de la Tierra a lo largo de las líneas del campo magnético es similar al flujo del plasma solar lejos de la corona del Sol (el viento solar ), Axford sugirió el término "viento polar".

La primera caracterización experimental del viento polar provino de los proyectos satelitales Explorer 33 de 1966 y, especialmente, ISIS-2 de 1974. ^{[ 10 ] [ 11 ]} Datos adicionales del Dynamics Explorer de 1981 generaron cierta incertidumbre en los modelos teóricos sobre el papel de los iones O ⁺ fríos . Este problema se aclaró con los datos más completos del satélite Akebono de 1989 , ^{[ 7 ] : 1955} y el satélite Polar de 1996. ^{[ 7 ] : 1966}

La idea del viento polar surgió del deseo de resolver la paradoja del balance de helio terrestre . Esta paradoja consiste en que el helio en la atmósfera terrestre parece producirse (mediante la desintegración radiactiva del uranio y el torio ) más rápido de lo que se pierde al escapar de la atmósfera superior. La constatación de que parte del helio podría ionizarse y, por lo tanto, escapar de la Tierra a lo largo de las líneas de campo magnético abiertas cerca de los polos magnéticos (el «viento polar»), es una posible solución a la paradoja.

Después de 30 años de investigación, se ha demostrado que parte de la causa del viento polar es el flujo ambipolar de plasma térmico: aceleración de iones por un campo eléctrico de polarización en la ionosfera. ^{[ 2 ] : 451} El campo eléctrico de polarización o ambipolar fue propuesto originalmente en la década de 1920 para atmósferas estelares ionizadas . ^{[ 11 ] : 1927} La separación de carga gravitacional crea un campo equivalente a $${\displaystyle E=-\mu \cdot {\vec {g}}/e}$$ dónde${\displaystyle {\vec {g}}}$es el campo gravitatorio y ${\displaystyle \mu }$es la masa iónica media, la mitad de la diferencia entre la masa de los iones con carga simple y el electrón. Esta fórmula simple solo es aplicable en un plasma en equilibrio hidrostático. Modelos más complejos aplicables a plasmas reales muestran una mayor intensidad de campo. En cualquier caso, el campo es muy pequeño pero, a diferencia de otras fuerzas, apunta en dirección opuesta a la gravedad. ^{[ 11 ] : 1927} En plasma de baja densidad a gran altitud, supera la gravedad para iones ligeros.

En la región del viento polar, el plasma ionosférico se expande y la baja densidad permite que la gravedad atraiga los iones hacia abajo en relación con los electrones del plasma. La separación de cargas da como resultado un campo eléctrico que luego envía algunos de los iones hacia arriba y fuera de la atmósfera. ^{[ 13 ] : 147} Este mecanismo se conoce como "flujo ambipolar" ^{[ 14 ]} y el campo como "campo eléctrico ambipolar" o "campo eléctrico de polarización". Otros mecanismos incluyen la aceleración de iones por fotoelectrones solares que escapan a lo largo de las líneas del campo magnético. ^{[ 14 ]}

La salida de iones debida al campo eléctrico ambipolar termina acumulándose en la plasmasfera si siguen líneas de campo magnético cerradas, pero los iones que siguen líneas de campo magnético abiertas salen del sistema terrestre. ^{[ 13 ] : 167} Los iones que siguen líneas de campo magnético abiertas son empujados lejos del Sol por las fuerzas del viento solar (convección antisolar). ^{[ 13 ] : 149}

Se han puesto en marcha numerosas investigaciones sobre el viento polar, entre ellas ISIS-2 , Dynamics Explorer , el satélite Akebono y el satélite Polar , que abarcan diversas altitudes, latitudes y momentos relativos al ciclo solar . Algunas de las conclusiones incluyen: ^{[ 7 ]}

• Los ingredientes principales del viento polar son los electrones, los iones de hidrógeno (H ⁺ ), helio (He ⁺ ) y oxígeno (O ⁺ ),
• Los iones O ⁺ predominan por debajo de los 4000  km,
• Las tres especies de iones alcanzan velocidades supersónicas  por encima de los 7000 km y las velocidades aumentan a más del número de Mach 2 por encima de los 50 000  km. ^{[ 7 ] : 1976}
• La velocidad del viento polar aumenta con la altitud y es mayor en el lado diurno de la Tierra.

La polarización o campo eléctrico ambipolar fue medido directamente en 2022 por un cohete sonda lanzado desde Svalbard . Esta misión de la NASA se denominó Endurance. ^{[ 12 ]} La comparación del potencial eléctrico a una altitud de 250  km con el de 768  km dio como resultado una diferencia de +0,55 voltios con una incertidumbre de 0,09 voltios. ^{[ 15 ]}

• difusión ambipolar

• Young, Lacey (28 de agosto de 2024). "Descubriendo el tercer campo energético global de la Tierra" . NASA Scientific Visualization Studio . NASA . Consultado el 12 de septiembre de 2024 .