Turbulența magnetohidrodinamică reglează transferul de energie de la scară mare la scară mică în multe sisteme astrofizice, inclusiv în atmosfera solară. Timp de peste o jumătate de secol, a fost larg acceptat că cascada de energie din plasmele turbulente, cum ar fi atmosfera Soarelui, este controlată de interacțiunile undelor MHD.
Într-un nou studiu, oamenii de știință de la Departamentul de Energie al SUA (DOE) Laboratorul de fizică a plasmei Princeton (PPPL) a descoperit un proces de încălzire ascuns anterior, care ajută la explicarea modului în care „corona solară” poate fi mult mai fierbinte decât suprafata solara care o emite.
Folosind 200 de milioane de ore de calculator pentru cea mai mare simulare de acest gen vreodată, oamenii de știință ar putea dezvălui procesul. Simularea lor numerică directă este prima care identifică acest mecanism de încălzire în spațiul 3D.
Chuanfei Dong, un fizician la PPPL și Universitatea Princeton, a spus: „Telescopul actual și instrumentele navelor spațiale ar putea să nu aibă o rezoluție suficient de mare pentru a identifica procesul care are loc la scară mică.”
Procesul cunoscut sub numele de reconectare magnetică, care împarte și reunește în mod violent câmpurile magnetice din plasmă – supa de electroni și nuclee atomice care formează atmosfera solară – este ingredientul secret. A fost demonstrat de modelarea lui Dong a cât de rapidă câmp magnetic liniile s-au reconectat, transformând energia haotică la scară largă în energie internă la scară mică. Datorită acestei conversii eficiente a energiei turbulente în energie termică la scară mică, coroană este încălzit eficient.
Dong a spus, „Gândește-te să pui smântână în cafea. Picăturile de cremă devin în curând spirale și bucle subțiri. În mod similar, câmpurile magnetice formează foi subțiri de curent electric care se rup din cauza reconectarii magnetice. Acest proces facilitează cascada de energie de la scară mare la scară mică, făcând procesul mai eficient în coroană solară turbulentă decât se credea anterior.”
„Când procesul de reconectare este lent, în timp ce cascada turbulentă este rapidă, reconectarea nu poate afecta transferul de energie pe scară. Dar atunci când rata de reconectare devine suficient de rapidă pentru a depăși rata tradițională în cascadă, reconectarea poate muta cascada la scară mică mai eficient.”
„Face acest lucru prin ruperea și reunirea liniilor câmpului magnetic pentru a genera lanțuri de linii mici răsucite numite plasmoizi. Acest lucru schimbă înțelegerea cascadei de energie turbulentă care a fost larg acceptată de peste jumătate de secol. Noua descoperire leagă rata de transfer de energie de cât de repede este plasmoide cresc, sporind transferul de energie de la scară mare la scară mică și încălzind puternic coroana la aceste scale.”
Cea mai recentă descoperire arată un regim cu un număr Reynolds magnetic asemănător coronei solare, care este fără precedent. Numărul mare caracterizează rata mare de transfer de energie a cascadei turbulente. Transferul de energie determinat de reconectare este mai eficient cu cât crește numărul Reynolds magnetic.
Simularea este una de acest fel, care a luat peste 200 de milioane de procesoare de computere la instalația NASA Advanced Supercomputing (NAS).
Fizicianul PPPL Amitava Bhattacharjee, profesor de științe astrofizice la Princeton, care a supravegheat cercetarea, a spus, „Acest experiment numeric a produs pentru prima dată dovezi incontestabile ale unui mecanism prezis teoretic pentru o gamă nedescoperită anterior de cascadă de energie turbulentă controlată de creșterea plasmoidelor.”
„Impactul acestei descoperiri în sistemele astrofizice la diferite scări poate fi explorat cu nave spațiale și telescoape actuale și viitoare. Desfacerea procesului de transfer de energie la scară va fi crucială pentru rezolvarea misterelor cosmice cheie.”
Referința jurnalului:
- Chuanfei Dong și colab. Cascada de energie condusă de reconectare în turbulențe magnetohidrodinamice. Avansuri de știință. DOI: 10.1126/sciadv.abn7627
