Magnetohydrodynamische turbulentie reguleert de energieoverdracht van grote naar kleine schaal in veel astrofysische systemen, inclusief de zonneatmosfeer. Al meer dan een halve eeuw wordt algemeen aanvaard dat de energiecascade in turbulente plasma's, zoals de atmosfeer van de zon, wordt gecontroleerd door MHD-golfinteracties.
In een nieuwe studie hebben wetenschappers van het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) Princeton Plasmafysica Laboratorium (PPPL) heeft een voorheen verborgen verwarmingsproces blootgelegd dat helpt verklaren hoe de ‘zonnecorona’ veel heter kan zijn dan de zonne-oppervlak die het uitstraalt.
Door 200 miljoen uur computertijd te gebruiken voor de grootste simulatie in zijn soort ooit konden wetenschappers het proces onthullen. Hun directe numerieke simulatie is de eerste die dit verwarmingsmechanisme in de 3D-ruimte identificeert.
Chuanfei Dong, een natuurkundige aan PPPL en Princeton University, zei: “De huidige instrumenten van telescopen en ruimtevaartuigen hebben mogelijk niet voldoende resolutie om het proces dat op kleine schaal plaatsvindt te identificeren.”
Het proces dat bekend staat als magnetische herverbinding, waarbij magnetische velden in plasma – de soep van elektronen en atoomkernen waaruit de zonneatmosfeer bestaat – op gewelddadige wijze wordt gesplitst en herenigd, is het geheime ingrediënt. Dit werd gedemonstreerd door Dong's modellering van hoe snel de magnetisch veld lijnen opnieuw verbonden, waardoor de grootschalige chaotische energie wordt omgezet in kleinschalige interne energie. Dankzij deze efficiënte omzetting van turbulente energie in thermische energie op kleine schaal, kunnen de kroon wordt effectief verwarmd.
Dong zei: “Denk er eens aan om room in de koffie te doen. De druppels crème worden al snel kransen en dunne krullen. Op dezelfde manier vormen magnetische velden dunne lagen elektrische stroom die uiteenvallen als gevolg van magnetische herverbinding. Dit proces vergemakkelijkt de energiecascade van grootschalig naar kleinschalig, waardoor het proces efficiënter wordt turbulente zonnecorona dan eerder werd gedacht.”
“Als het herverbindingsproces langzaam verloopt terwijl de turbulente cascade snel is, kan herverbinding de overdracht van energie over de schaalniveaus niet beïnvloeden. Maar wanneer de snelheid van heraansluiting snel genoeg wordt om de traditionele cascadesnelheid te overschrijden, kan heraansluiting de cascade efficiënter naar kleine schaal verplaatsen.”
“Dit gebeurt door de magnetische veldlijnen te verbreken en weer samen te voegen, waardoor ketens van kleine gedraaide lijnen ontstaan, plasmoïden genoemd. Dit verandert het begrip van de turbulente energiecascade die al meer dan een halve eeuw algemeen wordt aanvaard. De nieuwe bevinding koppelt de energieoverdrachtsnelheid aan hoe snel de energieoverdracht is plasmoïden groeien, waardoor de energieoverdracht van grote naar kleine schaal wordt verbeterd en de corona op deze schaal sterk wordt verwarmd.”
De meest recente ontdekking toont een regime met een zonnecorona-achtig magnetisch Reynoldsgetal dat ongekend groot is. Het enorme aantal karakteriseert de hoge energieoverdrachtsnelheid van de turbulente cascade. Door herverbinding aangedreven energieoverdracht is effectiever naarmate het magnetische Reynoldsgetal hoger wordt.
De simulatie is uniek in zijn soort en heeft meer dan 200 miljoen computer-CPU's in beslag genomen bij de NASA Advanced Supercomputing (NAS)-faciliteit.
PPPL-natuurkundige Amitava Bhattacharjee, een professor in astrofysische wetenschappen uit Princeton die toezicht hield op het onderzoek, zei, “Dit numerieke experiment heeft voor het eerst onbetwist bewijs opgeleverd van een theoretisch voorspeld mechanisme voor een voorheen onontdekt bereik van turbulente energiecascades, gecontroleerd door de groei van de plasmoïden.”
“De impact van deze bevinding in astrofysische systemen op verschillende schaalniveaus kan worden onderzocht met huidige en toekomstige ruimtevaartuigen en telescopen. Het uitpakken van het energieoverdrachtsproces over verschillende schaalniveaus zal cruciaal zijn voor het oplossen van belangrijke kosmische mysteries.”
Journal Reference:
- Chuanfei Dong et al. Door herverbinding aangedreven energiecascade in magnetohydrodynamische turbulentie. Wetenschap Advances DOI: 10.1126/sciadv.abn7627
