Turbulencja magnetohydrodynamiczna reguluje transfer energii z dużych do małych skali w wielu układach astrofizycznych, w tym w atmosferze słonecznej. Od ponad pół wieku powszechnie przyjmuje się, że kaskada energii w turbulentnych plazmach, takich jak atmosfera Słońca, jest kontrolowana przez interakcje fal MHD.
W nowym badaniu naukowcy z Departamentu Energii USA (DOE) Laboratorium Fizyki Plazmy w Princeton (PPPL) odkryli ukryty wcześniej proces ogrzewania, który pomaga wyjaśnić, w jaki sposób „korona słoneczna” może być znacznie gorętsza niż powierzchnia słoneczna który to emituje.
Wykorzystując 200 milionów godzin czasu pracy komputera do największej w historii symulacji tego rodzaju, naukowcy mogli odkryć ten proces. Ich bezpośrednia symulacja numeryczna jest pierwszą, która identyfikuje ten mechanizm ogrzewania w przestrzeni 3D.
Chuanfei Dong, fizyk z PPPL i Princeton University, powiedział: „Obecne instrumenty teleskopów i statków kosmicznych mogą nie mieć wystarczająco wysokiej rozdzielczości, aby zidentyfikować proces zachodzący w małych skalach”.
Sekretnym składnikiem jest proces znany jako rekoneksja magnetyczna, który gwałtownie rozdziela i ponownie łączy pola magnetyczne w plazmie – zupie elektronów i jąder atomowych tworzących atmosferę słoneczną. Wykazano to poprzez model Donga pokazujący, jak szybko Pole magnetyczne linie zostały ponownie połączone, przekształcając energię chaotyczną na dużą skalę w energię wewnętrzną na małą skalę. Dzięki tej wydajnej konwersji energii turbulentnej na energię cieplną w małych skalach, corona jest skutecznie podgrzewany.
Dong powiedział, „Pomyśl o dodaniu śmietanki do kawy. Krople kremu szybko zamieniają się w spirale i smukłe loki. Podobnie pola magnetyczne tworzą cienkie warstwy prądu elektrycznego, które rozpadają się w wyniku ponownego połączenia magnetycznego. Proces ten ułatwia kaskadę energii z dużej do małej skali, czyniąc proces bardziej wydajnym burzliwa korona słoneczna niż wcześniej sądzono.”
„Kiedy proces ponownego łączenia jest powolny, a burzliwa kaskada szybka, ponowne połączenie nie może wpłynąć na transfer energii między skalami. Kiedy jednak tempo ponownego łączenia stanie się wystarczająco szybkie, aby przekroczyć tradycyjną szybkość kaskady, ponowne połączenie może skuteczniej skierować kaskadę w stronę małych skal”.
„Czyni to poprzez rozrywanie i ponowne łączenie linii pola magnetycznego, tworząc łańcuchy małych skręconych linii zwanych plazmoidami. Zmienia to powszechnie akceptowane od ponad pół wieku rozumienie turbulentnej kaskady energetycznej. Nowe odkrycie wiąże szybkość transferu energii z szybkością plazmoidy rosnąć, zwiększając transfer energii z dużych do małych skali i silnie podgrzewając koronę w tych skalach.
Najnowsze odkrycie pokazuje reżim z magnetyczną liczbą Reynoldsa przypominającą koronę słoneczną, która jest bezprecedensowo duża. Ogromna liczba charakteryzuje dużą szybkość transferu energii turbulentnej kaskady. Transfer energii wywołany ponownym połączeniem jest tym skuteczniejszy, im wyższa jest magnetyczna liczba Reynoldsa.
Symulacja jest jedyną w swoim rodzaju, która objęła ponad 200 milionów procesorów komputerów w ośrodku NASA Advanced Supercomputing (NAS).
Fizyk PPPL Amitava Bhattacharjee, profesor nauk astrofizycznych w Princeton, który nadzorował badania, powiedziany, „Ten eksperyment numeryczny po raz pierwszy dostarczył niekwestionowany dowód na teoretycznie przewidywany mechanizm nieodkrytego wcześniej zakresu turbulentnej kaskady energii kontrolowanej przez wzrost plazmoidów”.
„Wpływ tego odkrycia na układy astrofizyczne w różnych skalach można zbadać za pomocą obecnych i przyszłych statków kosmicznych i teleskopów. Rozpakowanie procesu transferu energii w różnych skalach będzie miało kluczowe znaczenie dla rozwiązania kluczowych kosmicznych tajemnic.”
Referencje czasopisma:
- Chuanfei Dong i in. Kaskada energetyczna napędzana ponownym połączeniem w turbulencjach magnetohydrodynamicznych. Postępy nauki, DOI: 10.1126/sciadv.abn7627
