A magnetohidrodinamikus turbulencia számos asztrofizikai rendszerben szabályozza az energiaátvitelt a nagy méretekről a kis méretekre, beleértve a szoláris légkört is. Több mint fél évszázada széles körben elfogadott, hogy a turbulens plazmákban, például a Nap légkörében az energiakaszkádot MHD hullámkölcsönhatások szabályozzák.
Egy új tanulmányban az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának (DOE) tudósai Princeton plazmafizikai laboratórium (PPPL) feltárt egy korábban rejtett fűtési folyamatot, amely segít megmagyarázni, hogyan lehet a „napkorona” sokkal melegebb, mint a napfelszín amely kibocsátja.
200 millió órányi számítógépes idő felhasználásával a valaha volt legnagyobb ilyen jellegű szimulációhoz a tudósok felfedhetik a folyamatot. Közvetlen numerikus szimulációjuk az első, amely azonosítja ezt a fűtési mechanizmust a 3D térben.
Chuanfei Dong, a PPPL és a Princeton Egyetem fizikusa elmondta: "A jelenlegi teleszkóp- és űrszonda-műszerek valószínűleg nem rendelkeznek elég nagy felbontással ahhoz, hogy azonosítsák a kis léptékű folyamatokat."
A mágneses újracsatlakozás néven ismert folyamat, amely hevesen felosztja és újraegyesíti a mágneses mezőket a plazmában – az elektronok és az atommagok levesében, amely a nap légkörét alkotja – a titkos összetevő. Dong modellezése bizonyította, hogy milyen gyorsan a mágneses mező vezetékek újracsatlakoztak, a nagy léptékű kaotikus energiát kis léptékű belső energiává alakítva. A turbulens energia apró léptékű hatékony hőenergiává történő átalakításának köszönhetően a korona hatékonyan fűtött.
Dong azt mondta: „Gondolj arra, hogy tejszínt teszel a kávéba. A krémcseppek hamar örvénylővé és karcsú fürtökké válnak. Hasonlóképpen a mágneses mezők vékony elektromos áramlapokat képeznek, amelyek a mágneses újracsatlakozás következtében felszakadnak. Ez a folyamat megkönnyíti az energiakaszkádot a nagy léptékűről a kis léptékűre, így a folyamat hatékonyabbá válik turbulens napkorona mint korábban gondolták.”
„Ha az újracsatlakozási folyamat lassú, miközben a turbulens kaszkád gyors, az újracsatlakozás nem befolyásolja az energia átvitelét a skálákon. De amikor az újracsatlakozási sebesség elég gyors lesz ahhoz, hogy meghaladja a hagyományos kaszkád sebességét, az újracsatlakozás hatékonyabban mozgathatja a kaszkádot a kis léptékek felé.
„Ezt úgy teszi, hogy megtöri és újra összekapcsolja a mágneses erővonalakat, hogy kis csavart vonalakból álló láncokat hozzon létre, amelyeket plazmoidoknak nevezünk. Ez megváltoztatja a több mint fél évszázada széles körben elfogadott turbulens energiakaszkád megértését. Az új felfedezés az energiaátviteli sebességet ahhoz köti, hogy milyen gyorsan a plazmoidok növekedni, fokozva az energiaátvitelt a nagy méretekről a kis méretekre, és erősen felmelegíteni a koronát ezeken a skálákon.”
A legutóbbi felfedezés egy olyan rendszert mutat be, amelynek a napkoronához hasonló mágneses Reynolds-száma példátlanul nagy. A hatalmas szám a turbulens kaszkád nagy energiaátviteli sebességét jellemzi. Az újrakapcsolás által vezérelt energiaátvitel annál hatékonyabb, minél magasabbra nő a mágneses Reynolds-szám.
A szimuláció az egyik a maga nemében, amely több mint 200 millió számítógépes CPU-t vett igénybe a NASA Advanced Supercomputing (NAS) létesítményében.
Amitava Bhattacharjee, a PPPL fizikusa, az asztrofizikai tudományok princetoni professzora, aki felügyelte a kutatást, mondott, "Ez a numerikus kísérlet először hozott vitathatatlan bizonyítékot egy elméletileg előrejelzett mechanizmusra a turbulens energiakaszkád korábban fel nem fedezett tartományára, amelyet a plazmoidok növekedése szabályoz."
„Ennek a felfedezésnek az asztrofizikai rendszerekre gyakorolt hatását különféle léptékekben fel lehet tárni jelenlegi és jövőbeli űrjárművekkel és teleszkópokkal. Az energiaátviteli folyamat skálákon való kibontása kulcsfontosságú lesz a kulcsfontosságú kozmikus rejtélyek megoldásában.”
Journal Reference:
- Chuanfei Dong et al. Visszakapcsolás által vezérelt energiakaszkád magnetohidrodinamikus turbulenciában. Tudomány előlegek. DOI: 10.1126/sciadv.abn7627
