Meu entendimento é que as linhas de campo são apenas uma ferramenta de visualização que mostra pontos de momento magnético equipotencial tangente à linha.

Sim, as linhas de campo são apenas ferramentas de visualização que nós (humanos) inventamos, não são objetos físicos.

Não entendo, intuitivamente, como uma linha equipotencial pode se romper ou quebrar, ou por que isso resultaria em uma liberação de energia.

Esta é uma consequência infeliz das simulações e, de alguma forma, devido às descrições do comunicado à imprensa. No processo de reconexão magnética, a topologia do campo magnético realmente muda, mas os campos são uma construção contínua. O que acontece é que o fluxo magnético está sendo convertido em energia cinética das partículas. Ou seja, o fluxo pela região de reconexão está diminuindo e essa energia deve ir para algum lugar. O resultado é um campo elétrico indutivo que acelera as partículas. Porque os campos magnéticos experimentam algo semelhante a tensão como em um fio, quando eles são dobrados eles experimentam um efeito como uma espécie de força agindo para endireitar as linhas de campo estavam. Novamente, esta é uma forma de visualização de descrever as coisas, mas a forma física é que os gradientes nos campos tendem a trabalhar para se livrar de si mesmos na ausência de outras forças.

Estou tendo problemas até mesmo para enquadrar esta questão porque o conceito de quebra de linha de campo simplesmente não faz sentido para mim. O que acontece quando um campo magnético "estala"?

Sua confusão é justificada, conforme afirmei acima. As linhas de campo não se ajustam , quebram ou se movem , apesar da linguagem freqüentemente usada para descrever esses fenômenos. É uma escolha infeliz que alguém escolha descrever algo que sabe que não é fisicamente verdadeiro porque às vezes é mais fácil do que descrever a coisa real. Às vezes, há aqueles que realmente não sabem que as linhas de campo são construções artificiais e acreditam genuinamente que são objetos físicos. Não concordo com nenhum desses, obviamente.

Portanto, tente pensar nas coisas da seguinte maneira. O plasma envolvido na reconexão flui para dentro em direção à região de interesse. Iremos ignorar regiões próximas a uma fonte de campo magnético, como estrelas ou corpos planetários magnetizados. Nestes casos, a única fonte do campo magnético são as correntes criadas pelos desvios relativos entre partículas com carga oposta. O campo magnético e o plasma são acoplados um ao outro em plasmas altamente condutores por meio do que é chamado de condição congelada (ou seja, apenas uma forma de conservação de fluxo), conforme descrito em https: // physics.stackexchange.com/a/551944/59023. Se o plasma em duas regiões adjacentes começar a fluir um em direção ao outro e os campos magnéticos de cada região tiverem pelo menos alguma projeção antiparalela entre si, então o plasma pode gerar uma fina folha de corrente. Se a folha atual ficar fina e forte o suficiente, ela pode se tornar instável a coisas como rasgo e instabilidades de filamentação (ou seja, uma folha atual se divide em fios finos de corrente). O resultado final é a destruição do fluxo magnético, a radiação de vários modos eletromagnéticos e, em última instância, a transferência de energia dos campos eletromagnéticos para as partículas.

Estou sendo vago intencionalmente na última frase porque, embora saibamos muito sobre reconexão magnética, ainda há muitas perguntas sem resposta.Esta é uma das muitas razões pelas quais a NASA lançou a Missão multiescala magnetosférica, que ajudou a esclarecer que a reconexão não é um conceito fluido, como é frequentemente apresentado em discussões de MHD sobre o assunto, mas um cinético com uma separação de escalas entre elétrons e íons.

Considere a seguinte barra magnética, com as linhas de campo unphysical desenhadas ao redor dela.O campo vetorial magnético real é tangente a essas linhas e é representado por triângulos pretos (um campo vetorial magnético sempre emana do pólo norte para terminar no pólo sul, embora continue dentro do ímã):

Agora considere a seguinte imagem de duas barras magnéticas equivalentes e as linhas de campo associadas (em que para cada linha de campo apenas uma direção do vetor de campo magnético é mostrada por um triângulo muito pequeno):

As linhas de campo são sempre linhas fechadas.Isso é fácil de ver no ímã único (as linhas continuam dentro do ímã).Todas as linhas de campo entre os dois ímãs estão conectadas (por meio das linhas dentro dos ímãs) com as linhas na extrema esquerda e extrema direita direcionadas para longe dos ímãs (o que os torna fechados, embora seja difícil de visualizar).
Agora, quando separamos os ímãs um do outro (para formar dois ímãs em barra separados), as linhas de campo entre os ímãs (que na verdade não estão separadas, mas você não pode desenhar uma infinidade de linhas de campo) se afastam uma da outra também , como as linhas à esquerda e à direita do arranjo de ímã de barra dupla. As linhas de campo na extrema esquerda se dobram para cima (formando linhas fechadas com as direitas dobrando para cima, o que torna sua Natureza fechada visível, como as linhas únicas já dobradas para dentro são fechadas) para se conectar com as linhas de campo à esquerda das linhas de campo no meio (em relação a uma linha vertical no meio dos dois ímãs). Portanto, essas linhas no meio parecem "estalar", assim como as linhas fechadas emergindo da esquerda e entrando na direita, após o que elas se reconectam para formar dois laços fechados em cada ímã. O processo inverso, ou seja, duas linhas fechadas formando uma linha fechada (que também é uma forma de encaixe), ocorre, como você deve ter adivinhado ao juntar duas barras magnéticas, no mesmo arranjo representado, para formar uma barra magnética.

Como separamos os ímãs, a energia potencial contida nos campos magnéticos de dois ímãs em barra é maior do que em um único (se os dois ímãs em barra fossem feitos de um único, cortando-o em dois). Você pode imaginar puxando-os para longe um do outro, e "estalo!", Dois ímãs com maior energia irão emergir (na verdade, a energia aumenta em estalos infinitos de forma contínua, mas separá-los muito rápido vai parecer um único estalo). Os campos magnéticos ao redor dos ímãs em barra são produzidos pelos spins de elétrons desemparelhados na camada externa dos átomos. Cada spin produz um minúsculo campo magnético e nos ferromagnetos (que são os que consideramos aqui), se a temperatura não for muito alta, todos esses minúsculos campos ficam permanentemente alinhados, o que minimiza a energia interna do ferromagneto.

Agora, esses tipos de processos (de maneiras muito distorcidas e em escalas muito maiores) também ocorrem na superfície do Sol, mas os campos de vetores magnéticos (fechados) são produzidos por enormes correntes de plasma e as linhas do campo magnético são linhas fechadas em torno dessas correntes de plasma. Essas correntes de plasma mudam constantemente e, portanto, as linhas do campo magnético. Isso induz campos elétricos, que aceleram partículas carregadas, principalmente prótons, elétrons e uma fração relativamente pequena de núcleos de hélio (raios cósmicos solares). Quando duas ou mais linhas de campo fechadas emergem de uma linha de campo fechada (por exemplo, quando uma corrente de plasma se divide em duas ou mais), o campo elétrico induzido torna-se repentinamente maior e este aumento repentino do campo elétrico induzido dá uma explosão de prótons de alta energia , elétrons e hélio (partícula alfa).
Assim como no caso de dois ímãs que se separam muito rapidamente, aumentando assim a energia do campo magnético em um estalo, o aumento repentino da energia do campo magnético é convertido em uma explosão de radiação cósmica, o que reduz a energia contida no campo magnético campos em torno das duas (ou mais) correntes de plasma emergentes (por causa dos quais as correntes de plasma são reduzidas em força como uma reação). A diferença com o caso dos dois ímãs é que o aumento da energia no campo magnético dos dois ímãs permanece (aproximadamente) o mesmo, sem transmitir o aumento da energia para outras coisas.

Você pode compará-lo com as linhas de pressão igual no desenvolvimento do clima. Essas linhas também estão sempre fechadas e podem se fundir ou se dividir para formar novas linhas fechadas de igual pressão. As energias associadas estão contidas nos ventos. Quando uma linha fechada de baixa pressão "se encaixa" em duas linhas fechadas, mais energia eólica é liberada do que no caso de uma linha fechada de baixa pressão.

Você está certo: as linhas do campo magnético não podem se romper ou quebrar porque não são objetos físicos.Eles são mais análogos às linhas de elevação em um mapa topográfico, ou mais precisamente às linhas perpendiculares às linhas de elevação: às linhas de queda em uma pista de esqui.No entanto, eles descrevem algo físico, que é a distribuição do campo magnético.Quando as fontes do campo magnético se reorganizam, as "linhas do campo magnético" podem mudar descontinuamente, e é a mudança descontínua que é chamada de "estalo" ou "quebra".

Faça esta experiência. (Esteja preparado para uma pequena limpeza.)

Coloque uma pequena barra de ímã sob um pedaço de papel duro. Polvilhe limalha de ferro por cima. Essas "ferramentas de visualização" "imaginárias" tornam-se bastante evidentes. Agora, vire o papel e o ímã de modo que as limalhas de ferro fiquem sob o papel. Agora, afaste o ímã do papel e observe a queda da limalha. Inicialmente, as linhas de fluxo magnético e suas propriedades exercem força suficiente para superar outras forças e manter as limalhas no lugar. Conforme o ímã é forçado para longe das limalhas, em algum ponto isso não é mais verdadeiro e a gravidade assume o controle para fazer com que as limalhas "voem para longe" do papel.

Agora, visualize uma fornalha nuclear infestada pela gravidade, em turbilhão, convectiva, induzindo seus próprios redemoinhos elétricos e campos magnéticos poderosos. Para simplificar, vamos chamá-lo de estrela. À medida que ocorrem correntes convectivas físicas, campos magnéticos localizados se desenvolvem e se manifestam como manchas solares, chamas etc.

Visualize também que nossas limalhas de ferro são agora jatos de plasma fluindo sujeitos a muitas forças diferentes, mas seguindo caminhos contínuos enquanto nossa estrela continua sua derretida, subterrânea, caótica dança eletromagnética. À medida que novos pontos quentes magnéticos se desenvolvem, as linhas de fluxo se movem suavemente em novos caminhos. (Suavemente não significa necessariamente devagar.) Quando a inércia das partículas na corrente se torna maior do que as forças exercidas por linhas de fluxo que mudam rapidamente, as partículas são cada vez mais afetadas por outras forças; por exemplo. gravidade, vento solar, a própria inércia das partículas ... O ponto é que as linhas de força em movimento podem mudar rapidamente o suficiente para que de repente faltem as forças necessárias para restringir suas partículas cromosféricas altamente energizadas e anteriormente cativas.

Em nossa pequena experiência, as limalhas provavelmente caíram direto sobre a mesa e fizeram uma pequena bagunça. Considere o que aconteceria se você tivesse um ventilador soprando em sua configuração.

Reflita sobre os vetores e as energias das partículas de plasma liberadas repentinamente que até um momento atrás estavam circulando a velocidades tremendas em um arco que se estende 10.000 km acima da superfície de nossa estrela.A tempestade de forças em jogo pode bagunçar bastante sua sala de estar. - D. R. McClellan

Simulei duas barras magnéticas com 4 dipolos cada e plotei as linhas de campo e a intensidade do campo em torno deles.

Aqui está o que observei.

Notei que a cadeia dipolo forma um conjunto de pontos nulos no campo em cada lado da cadeia. À medida que os ímãs são separados, dois desses pontos nulos (pontos verdes) se afastam do ponto de separação, e é aí que as linhas de campo "se encaixam". O que realmente está acontecendo é que as linhas de campo se reformam, mudando das linhas de campo ao redor da barra magnética combinada para as linhas de campo que cercam as duas barras magnéticas separadas.

As linhas de campo "estalam" à medida que passam pelo ponto nulo. Eles não estão realmente se encaixando, mas à medida que a intensidade do campo desaparece no ponto nulo, cada linha de campo pode se transformar suavemente em duas novas linhas de campo em torno dos dois ímãs separados. As linhas de campo são desenhadas para seguir a direção do campo, mas não mostram a intensidade do campo, portanto, parecem se encaixar quando passam pelos pontos nulos.

Conforme o material se movendo ao longo de uma linha de campo encontra um ponto nulo, ele ficará livre do campo e, se o campo circundante for muito fraco para recapturá-lo, este material escapará para o espaço.