La turbolenza magnetoidrodinamica regola il trasferimento di energia da grande a piccola scala in molti sistemi astrofisici, inclusa l’atmosfera solare. Per oltre mezzo secolo è stato ampiamente accettato che la cascata di energia nei plasmi turbolenti, come l’atmosfera del Sole, è controllata dalle interazioni delle onde MHD.
In un nuovo studio, gli scienziati del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) Laboratorio di fisica del plasma di Princeton (PPPL) hanno scoperto un processo di riscaldamento precedentemente nascosto che aiuta a spiegare come la “corona solare” possa essere molto più calda della superficie solare che lo emette.
Utilizzando 200 milioni di ore di tempo del computer per la più grande simulazione mai realizzata nel suo genere, gli scienziati potrebbero rivelare il processo. La loro simulazione numerica diretta è la prima a identificare questo meccanismo di riscaldamento nello spazio 3D.
Chuanfei Dong, fisico del PPPL e dell'Università di Princeton, ha detto: “Gli attuali strumenti dei telescopi e dei veicoli spaziali potrebbero non avere una risoluzione sufficientemente elevata per identificare il processo che avviene su piccola scala”.
Il processo noto come riconnessione magnetica, che divide e riunisce violentemente i campi magnetici nel plasma – la zuppa di elettroni e nuclei atomici che costituisce l’atmosfera solare – è l’ingrediente segreto. È stato dimostrato dal modello di Dong sulla rapidità con cui il campo magnetico le linee si ricollegarono, convertendo l'energia caotica su larga scala in energia interna su piccola scala. Grazie a questa efficiente conversione dell'energia turbolenta in energia termica su scala minuscola, il corona viene effettivamente riscaldato.
Dong ha detto: “Pensa di mettere la panna nel caffè. Le gocce di crema diventano presto vortici e riccioli sottili. Allo stesso modo, i campi magnetici formano sottili fogli di corrente elettrica che si disintegrano a causa della riconnessione magnetica. Questo processo facilita la cascata energetica da grande a piccola scala, rendendo il processo più efficiente corona solare turbolenta di quanto si pensasse in precedenza."
“Quando il processo di riconnessione è lento mentre la cascata turbolenta è veloce, la riconnessione non può influenzare il trasferimento di energia su scale diverse. Ma quando la velocità di riconnessione diventa abbastanza veloce da superare la tradizionale velocità a cascata, la riconnessione può spostare la cascata verso piccole scale in modo più efficiente”.
“Lo fa rompendo e ricongiungendo le linee del campo magnetico per generare catene di piccole linee intrecciate chiamate plasmoidi. Ciò cambia la comprensione della turbolenta cascata energetica che è stata ampiamente accettata per oltre mezzo secolo. La nuova scoperta lega la velocità di trasferimento di energia alla velocità plasmoidi crescere, migliorando il trasferimento di energia da grande a piccola scala e riscaldando fortemente la corona su queste scale”.
La scoperta più recente mostra un regime con un numero di Reynolds magnetico simile alla corona solare, senza precedenti. L'enorme numero caratterizza l'elevata velocità di trasferimento di energia della cascata turbolenta. Il trasferimento di energia guidato dalla riconnessione è tanto più efficace quanto più aumenta il numero di Reynolds magnetico.
La simulazione è unica nel suo genere e ha impiegato oltre 200 milioni di CPU per computer presso la struttura NASA Advanced Supercomputing (NAS).
Il fisico del PPPL Amitava Bhattacharjee, professore di scienze astrofisiche a Princeton che ha supervisionato la ricerca, disse, “Questo esperimento numerico ha prodotto prove indiscusse per la prima volta di un meccanismo teoricamente previsto per una gamma precedentemente sconosciuta di cascata di energia turbolenta controllata dalla crescita dei plasmoidi”.
“L’impatto di questa scoperta nei sistemi astrofisici su varie scale può essere esplorato con veicoli spaziali e telescopi attuali e futuri. Scoprire il processo di trasferimento di energia su larga scala sarà cruciale per risolvere i misteri cosmici chiave”.
Riferimento della Gazzetta:
- Chuanfei Dong et al. Cascata di energia guidata dalla riconnessione nella turbolenza magnetoidrodinamica. Anticipi Scienza. DOI: 10.1126/sciadv.abn7627
