Magnetohydrodynamisk turbulens regulerer energioverførsel fra store til små skalaer i mange astrofysiske systemer, herunder solatmosfæren. I over et halvt århundrede har det været almindeligt accepteret, at energikaskaden i turbulente plasmaer, såsom Solens atmosfære, er styret af MHD-bølgeinteraktioner.
I en ny undersøgelse viser forskere ved det amerikanske energiministerium (DOE) Princeton Plasmafysiklaboratorium (PPPL) afslørede en tidligere skjult opvarmningsproces, der hjælper med at forklare, hvordan "solkoronaen" kan være meget varmere end soloverflade der udsender det.
Ved at bruge 200 millioner timers computertid til den største simulering af sin slags nogensinde, kunne forskere afsløre processen. Deres direkte numeriske simulering er den første til at identificere denne varmemekanisme i 3D-rum.
Chuanfei Dong, en fysiker ved PPPL og Princeton University, sagde: "Nuværende teleskop- og rumfartøjsinstrumenter har muligvis ikke høj nok opløsning til at identificere processen, der finder sted i små skalaer."
Processen kendt som magnetisk genforbindelse, som voldsomt splitter og genforener magnetiske felter i plasma - suppen af elektroner og atomkerner, der udgør solatmosfæren - er den hemmelige ingrediens. Det blev demonstreret ved Dongs modellering af, hvor hurtigt magnetfeltet linjer genforbundet, hvilket omdanner den kaotiske energi i stor skala til indre energi i lille skala. På grund af denne effektive omdannelse af turbulent energi til termisk energi i små skalaer, krone opvarmes effektivt.
Dong sagde, “Tænk at putte fløde i kaffen. Flødedråberne bliver hurtigt til hvirvler og slanke krøller. På samme måde danner magnetiske felter tynde plader af elektrisk strøm, der bryder op på grund af magnetisk genforbindelse. Denne proces letter energikaskaden fra storskala til lilleskala, hvilket gør processen mere effektiv i turbulent solkorona end tidligere antaget."
"Når genforbindelsesprocessen er langsom, mens den turbulente kaskade er hurtig, kan genforbindelse ikke påvirke overførslen af energi på tværs af skalaer. Men når genforbindelseshastigheden bliver hurtig nok til at overstige den traditionelle kaskadehastighed, kan genforbindelse flytte kaskaden mod små skalaer mere effektivt."
"Det gør det ved at bryde og genforene magnetfeltlinjerne for at generere kæder af små snoede linjer kaldet plasmoider. Dette ændrer forståelsen af den turbulente energikaskade, der har været bredt accepteret i over et halvt århundrede. Det nye fund knytter energioverførselshastigheden til, hvor hurtigt plasmoider vokse, øge energioverførslen fra store til små skalaer og kraftigt opvarme koronaen på disse skalaer."
Den seneste opdagelse viser et regime med et solkorona-lignende magnetisk Reynolds-tal, der er hidtil uset stort. Det enorme antal karakteriserer den turbulente kaskades høje energioverførselshastighed. Genforbindelsesdrevet energioverførsel er mere effektiv, jo højere det magnetiske Reynolds-tal stiger.
Simuleringen er en af sin slags, der har overtaget 200 millioner computer-CPU'er på NASA Advanced Supercomputing (NAS)-faciliteten.
PPPL fysiker Amitava Bhattacharjee, en Princeton professor i astrofysiske videnskaber, der overvågede forskningen, sagde, "Dette numeriske eksperiment har for første gang produceret ubestridte beviser for en teoretisk forudsagt mekanisme for en tidligere uopdaget række af turbulent energikaskade styret af væksten af plasmoiderne."
"Virkningen af dette fund i astrofysiske systemer på tværs af forskellige skalaer kan udforskes med nuværende og fremtidige rumfartøjer og teleskoper. Udpakning af energioverførselsprocessen på tværs af skalaer vil være afgørende for at løse vigtige kosmiske mysterier."
Journal Reference:
- Chuanfei Dong et al. Genforbindelsesdrevet energikaskade i magnetohydrodynamisk turbulens. Science Forskud. DOI: 10.1126/sciadv.abn7627
