Magnetohydrodynamisk turbulens reglerar energiöverföringen från stor till liten skala i många astrofysiska system, inklusive solatmosfären. I över ett halvt sekel har det varit allmänt accepterat att energikaskaden i turbulenta plasma, såsom solens atmosfär, styrs av MHD-våginteraktioner.
I en ny studie har forskare vid US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasmafysiklaboratorium (PPPL) avslöjade en tidigare dold uppvärmningsprocess som hjälper till att förklara hur "solkoronan" kan vara mycket varmare än solytan som avger det.
Genom att använda 200 miljoner timmar datortid för den största simuleringen i sitt slag någonsin kunde forskare avslöja processen. Deras direkta numeriska simulering är den första som identifierar denna uppvärmningsmekanism i 3D-rymden.
Chuanfei Dong, fysiker vid PPPL och Princeton University, sa: "Nuvarande teleskop- och rymdfarkostinstrument kanske inte har tillräckligt hög upplösning för att identifiera processen som sker i liten skala."
Processen som kallas magnetisk återkoppling, som våldsamt splittrar och återförenar magnetiska fält i plasma - soppan av elektroner och atomkärnor som utgör solatmosfären - är den hemliga ingrediensen. Det visades av Dongs modellering av hur snabbt Magnetfältet linjer återanslutna, omvandlar den storskaliga kaotiska energin till småskalig intern energi. På grund av denna effektiva omvandling av turbulent energi till termisk energi i små skalor, crown är effektivt uppvärmd.
Dong sa, ”Tänk på att lägga grädde i kaffet. Grädddropparna blir snart virvlar och smala lockar. På liknande sätt bildar magnetfält tunna ark av elektrisk ström som bryts upp på grund av magnetisk återkoppling. Denna process underlättar energikaskaden från storskalig till småskalig, vilket gör processen mer effektiv i turbulent solkorona än man tidigare trott."
"När återkopplingsprocessen är långsam medan den turbulenta kaskaden är snabb, kan återkoppling inte påverka överföringen av energi över skalor. Men när återanslutningshastigheten blir tillräckligt snabb för att överskrida den traditionella kaskadhastigheten, kan återanslutningen flytta kaskaden mot små skalor mer effektivt."
"Det gör det genom att bryta och återförena magnetfältslinjerna för att generera kedjor av små vridna linjer som kallas plasmoider. Detta förändrar förståelsen av den turbulenta energikaskaden som har varit allmänt accepterad i över ett halvt sekel. Den nya upptäckten kopplar energiöverföringshastigheten till hur snabbt plasmoider växa, förbättra energiöverföringen från stora till små skalor och kraftigt värma upp koronan på dessa skalor."
Den senaste upptäckten visar en regim med ett solkoronaliknande magnetiskt Reynolds-tal som är oöverträffat stort. Det enorma antalet kännetecknar den höga energiöverföringshastigheten för den turbulenta kaskaden. Återanslutningsdriven energiöverföring är effektivare ju högre det magnetiska Reynolds-talet ökar.
Simuleringen är en i sitt slag som har tagit över 200 miljoner datorprocessorer vid NASA Advanced Supercomputing (NAS)-anläggningen.
PPPL-fysikern Amitava Bhattacharjee, en Princeton-professor i astrofysiska vetenskaper som övervakade forskningen, sade, "Detta numeriska experiment har producerat obestridda bevis för första gången på en teoretiskt förutspådd mekanism för ett tidigare oupptäckt område av turbulent energikaskad som kontrolleras av tillväxten av plasmoider."
"Inverkan av detta fynd i astrofysiska system över olika skalor kan utforskas med nuvarande och framtida rymdfarkoster och teleskop. Att packa upp energiöverföringsprocessen över skalor kommer att vara avgörande för att lösa viktiga kosmiska mysterier."
Tidskriftsreferens:
- Chuanfei Dong et al. Återkopplingsdriven energikaskad i magnetohydrodynamisk turbulens. Vetenskap Förskott. DOI: 10.1126/sciadv.abn7627
