Магнитогидродинамическая турбулентность регулирует передачу энергии от больших к малым масштабам во многих астрофизических системах, включая солнечную атмосферу. Уже более полувека широко распространено мнение, что каскад энергии в турбулентной плазме, такой как атмосфера Солнца, контролируется МГД-волновыми взаимодействиями.
В новом исследовании ученые Министерства энергетики США (DOE) Принстонская лаборатория физики плазмы (PPPL) обнаружили ранее скрытый процесс нагрева, который помогает объяснить, почему «солнечная корона» может быть намного горячее, чем солнечная. солнечная поверхность который излучает его.
Используя 200 миллионов часов компьютерного времени для крупнейшего в истории моделирования такого рода, ученые смогли раскрыть этот процесс. Их прямое численное моделирование является первым, кто идентифицировал этот механизм нагрева в трехмерном пространстве.
Чуанфей Донг, физик из PPPL и Принстонского университета, сказал: «Современные инструменты телескопов и космических кораблей могут не иметь достаточно высокого разрешения, чтобы идентифицировать процесс, происходящий в небольших масштабах».
Секретным ингредиентом является процесс, известный как магнитное пересоединение, который жестоко расщепляет и воссоединяет магнитные поля в плазме — супе из электронов и атомных ядер, составляющем солнечную атмосферу. Это было продемонстрировано моделированием Донгом того, насколько быстро магнитное поле линии воссоединились, преобразуя крупномасштабную хаотическую энергию в мелкомасштабную внутреннюю энергию. Благодаря этому эффективному преобразованию турбулентной энергии в тепловую энергию в крошечных масштабах, корона эффективно нагревается.
Донг сказал: «Подумайте о том, чтобы добавить сливки в кофе. Капли крема вскоре превращаются в завитки и тонкие завитки. Точно так же магнитные поля образуют тонкие слои электрического тока, которые разрушаются из-за магнитного пересоединения. Этот процесс облегчает энергетический каскад от крупномасштабного к мелкомасштабному, делая процесс более эффективным в турбулентная солнечная корона чем считалось ранее».
«Когда процесс пересоединения медленный, а турбулентный каскад быстрый, пересоединение не может повлиять на передачу энергии между масштабами. Но когда скорость переподключения становится достаточно высокой, чтобы превысить традиционную скорость каскада, переподключение может более эффективно переместить каскад в сторону небольших масштабов».
«Он делает это путем разрыва и воссоединения линий магнитного поля, образуя цепочки маленьких скрученных линий, называемых плазмоидами. Это меняет понимание турбулентного энергетического каскада, широко распространенное на протяжении более полувека. Новое открытие связывает скорость передачи энергии с тем, насколько быстро плазмоиды расти, усиливая передачу энергии от больших масштабов к малым и сильно нагревая корону на этих масштабах».
Самое последнее открытие показывает режим с беспрецедентно большим магнитным числом Рейнольдса, подобным солнечной короне. Огромное число характеризует высокую скорость передачи энергии турбулентного каскада. Передача энергии, вызванная пересоединением, тем эффективнее, чем выше увеличивается магнитное число Рейнольдса.
Это единственное в своем роде моделирование, которое задействовало более 200 миллионов компьютерных процессоров в Центре передовых суперкомпьютеров НАСА (NAS).
Физик PPPL Амитава Бхаттачарджи, профессор астрофизических наук из Принстона, руководивший исследованием, — сказал, «Этот численный эксперимент впервые предоставил неоспоримые доказательства теоретически предсказанного механизма ранее неоткрытого диапазона турбулентного энергетического каскада, контролируемого ростом плазмоидов».
«Влияние этого открытия на астрофизические системы различных масштабов можно изучить с помощью нынешних и будущих космических кораблей и телескопов. Раскрытие процесса передачи энергии в разных масштабах будет иметь решающее значение для решения ключевых космических загадок».
Справочник журнала:
- Чуанфей Донг и др. Энергетический каскад, управляемый пересоединением, в магнитогидродинамической турбулентности. Наука развивается, DOI: 10.1126/sciadv.abn7627
