Magnetohydrodynamisk turbulens regulerer energioverføring fra store til små skalaer i mange astrofysiske systemer, inkludert solatmosfæren. I over et halvt århundre har det vært allment akseptert at energikaskaden i turbulente plasmaer, slik som solens atmosfære, styres av MHD-bølgeinteraksjoner.
I en ny studie viser forskere ved US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) avdekket en tidligere skjult oppvarmingsprosess som hjelper til med å forklare hvordan "solkoronaen" kan være mye varmere enn soloverflate som avgir det.
Ved å bruke 200 millioner timer datatid til den største simuleringen av sitt slag noensinne, kunne forskere avsløre prosessen. Deres direkte numeriske simulering er den første som identifiserer denne oppvarmingsmekanismen i 3D-rom.
Chuanfei Dong, en fysiker ved PPPL og Princeton University, sa: "Nåværende teleskop- og romfartøysinstrumenter har kanskje ikke høy nok oppløsning til å identifisere prosessen som skjer i små skalaer."
Prosessen kjent som magnetisk gjenkobling, som voldsomt splitter og gjenforener magnetiske felt i plasma – suppen av elektroner og atomkjerner som utgjør solatmosfæren – er den hemmelige ingrediensen. Det ble demonstrert av Dongs modellering av hvor raskt magnetfelt linjer koblet sammen igjen, og konverterer storskala kaotisk energi til småskala intern energi. På grunn av denne effektive konverteringen av turbulent energi til termisk energi i små skalaer, krone er effektivt oppvarmet.
Dong sa, «Tenk å ha fløte i kaffen. Kremdråpene blir snart snirkler og slanke krøller. På samme måte danner magnetiske felt tynne plater av elektrisk strøm som brytes opp på grunn av magnetisk gjentilkobling. Denne prosessen letter energikaskaden fra storskala til liten skala, noe som gjør prosessen mer effektiv i turbulent solkorona enn tidligere antatt."
"Når gjentilkoblingsprosessen er langsom mens den turbulente kaskaden er rask, kan ikke gjentilkobling påvirke overføringen av energi på tvers av skalaer. Men når gjentilkoblingshastigheten blir rask nok til å overskride den tradisjonelle kaskadehastigheten, kan gjentilkobling flytte kaskaden mot små skalaer mer effektivt."
"Det gjør dette ved å bryte og slå sammen magnetfeltlinjene for å generere kjeder av små snoede linjer kalt plasmoider. Dette endrer forståelsen av den turbulente energikaskaden som har vært allment akseptert i over et halvt århundre. Det nye funnet knytter energioverføringshastigheten til hvor raskt plasmoider vokse, øke energioverføringen fra store til små skalaer og varme opp koronaen kraftig på disse skalaene."
Den siste oppdagelsen viser et regime med et solkorona-lignende magnetisk Reynolds-tall som er enestående stort. Det enorme antallet karakteriserer den høye energioverføringshastigheten til den turbulente kaskaden. Gjenkoblingsdrevet energioverføring er mer effektiv jo høyere det magnetiske Reynolds-tallet øker.
Simuleringen er en av sitt slag som har tatt over 200 millioner datamaskin-CPUer ved NASA Advanced Supercomputing (NAS)-anlegget.
PPPL-fysiker Amitava Bhattacharjee, en Princeton-professor i astrofysiske vitenskaper som overvåket forskningen, sa, "Dette numeriske eksperimentet har produsert ubestridte bevis for første gang på en teoretisk forutsagt mekanisme for et tidligere uoppdaget område av turbulent energikaskade kontrollert av veksten av plasmoidene."
"Konsekvensen av dette funnet i astrofysiske systemer på tvers av ulike skalaer kan utforskes med nåværende og fremtidige romfartøyer og teleskoper. Å pakke ut energioverføringsprosessen på tvers av skalaer vil være avgjørende for å løse viktige kosmiske mysterier."
Tidsreferanse:
- Chuanfei Dong et al. Gjenkoblingsdrevet energikaskade i magnetohydrodynamisk turbulens. Vitenskap Fremskritt. GJØR JEG: 10.1126/sciadv.abn7627
