A turbulência magnetohidrodinâmica regula a transferência de energia de grande para pequena escala em muitos sistemas astrofísicos, incluindo a atmosfera solar. Por mais de meio século, tem sido amplamente aceito que a cascata de energia em plasmas turbulentos, como a atmosfera do Sol, é controlada por interações de ondas MHD.
Em um novo estudo, cientistas do Departamento de Energia dos EUA (DOE) Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) descobriu um processo de aquecimento anteriormente oculto que ajuda a explicar como a “coroa solar” pode ser muito mais quente que a superfície solar que o emite.
Ao usar 200 milhões de horas de computador para a maior simulação do tipo já feita, os cientistas puderam revelar o processo. A sua simulação numérica direta é a primeira a identificar este mecanismo de aquecimento no espaço 3D.
Chuanfei Dong, físico do PPPL e da Universidade de Princeton, disse: “Os atuais instrumentos de telescópios e naves espaciais podem não ter resolução suficiente para identificar o processo que ocorre em pequenas escalas.”
O processo conhecido como reconexão magnética, que divide e reúne violentamente os campos magnéticos no plasma – a sopa de elétrons e núcleos atômicos que compõe a atmosfera solar – é o ingrediente secreto. Foi demonstrado pela modelagem de Dong sobre a rapidez com que o campo magnético linhas reconectadas, convertendo a energia caótica de grande escala em energia interna de pequena escala. Devido a esta conversão eficiente de energia turbulenta em energia térmica em escalas minúsculas, o coroa é efetivamente aquecido.
Dong disse: “Pense em colocar creme no café. As gotas de creme logo se transformam em espirais e cachos finos. Da mesma forma, os campos magnéticos formam finas camadas de corrente elétrica que se rompem devido à reconexão magnética. Este processo facilita a cascata de energia de grande para pequena escala, tornando o processo mais eficiente no coroa solar turbulenta do que se pensava anteriormente.”
“Quando o processo de reconexão é lento enquanto a cascata turbulenta é rápida, a reconexão não pode afetar a transferência de energia entre escalas. Mas quando a taxa de reconexão se torna rápida o suficiente para exceder a taxa de cascata tradicional, a reconexão pode mover a cascata para pequenas escalas de forma mais eficiente.”
“Ele faz isso quebrando e reunindo as linhas do campo magnético para gerar cadeias de pequenas linhas torcidas chamadas plasmóides. Isto muda a compreensão da turbulenta cascata de energia que tem sido amplamente aceita há mais de meio século. A nova descoberta vincula a taxa de transferência de energia à rapidez com que o plasmóides crescer, melhorando a transferência de energia de grande para pequena escala e aquecendo fortemente a coroa nessas escalas.”
A descoberta mais recente mostra um regime com um número de Reynolds magnético semelhante à coroa solar que é sem precedentes. O grande número caracteriza a alta taxa de transferência de energia da cascata turbulenta. A transferência de energia impulsionada pela reconexão é mais eficaz quanto maior o número de Reynolds magnético aumenta.
A simulação é única que ocupou mais de 200 milhões de CPUs de computador nas instalações de Supercomputação Avançada da NASA (NAS).
O físico do PPPL Amitava Bhattacharjee, professor de ciências astrofísicas de Princeton que supervisionou a pesquisa, dito, “Este experimento numérico produziu evidências indiscutíveis, pela primeira vez, de um mecanismo teoricamente previsto para uma gama anteriormente desconhecida de cascata de energia turbulenta controlada pelo crescimento dos plasmóides.”
“O impacto desta descoberta em sistemas astrofísicos em várias escalas pode ser explorado com naves espaciais e telescópios atuais e futuros. Desvendar o processo de transferência de energia entre escalas será crucial para resolver os principais mistérios cósmicos.”
Jornal de referência:
- Chuanfei Dong et al. Cascata de energia acionada por reconexão em turbulência magnetohidrodinâmica. Os avanços da ciência. DOI: 10.1126/sciadv.abn7627
