Магнітогідродинамічна турбулентність регулює передачу енергії від великих до малих масштабів у багатьох астрофізичних системах, включаючи сонячну атмосферу. Понад півстоліття було широко визнано, що енергетичний каскад у турбулентній плазмі, такій як атмосфера Сонця, контролюється взаємодією МГД-хвиль.
У новому дослідженні вчені з Міністерства енергетики США (DOE) Принстонська лабораторія фізики плазми (PPPL) виявив раніше прихований процес нагрівання, який допомагає пояснити, чому «сонячна корона» може бути значно гарячішою, ніж сонячна поверхня що випромінює його.
Використавши 200 мільйонів годин комп’ютерного часу для наймасштабнішого моделювання такого роду, вчені змогли розкрити процес. Їх пряме чисельне моделювання є першим, що ідентифікує цей механізм нагрівання в 3D-просторі.
Чуанфей Донг, фізик з PPPL і Прінстонського університету, сказав: «Поточні інструменти телескопів і космічних кораблів можуть не мати достатньо високої роздільної здатності, щоб визначити процес, що відбувається в малих масштабах».
Процес, відомий як магнітне перез’єднання, який жорстоко розщеплює та об’єднує магнітні поля в плазмі — суміші електронів і атомних ядер, з якої складається сонячна атмосфера — є секретним інгредієнтом. Це було продемонстровано моделюванням Донга того, як швидко магнітне поле лінії знову з’єдналися, перетворюючи великомасштабну хаотичну енергію у дрібномасштабну внутрішню енергію. Завдяки цьому ефективному перетворенню турбулентної енергії в теплову енергію в крихітних масштабах корона ефективно нагрівається.
Донг сказав, «Подумайте про те, щоб додати вершки в каву. Краплі крему незабаром стають завитками і тонкими кучерями. Подібним чином магнітні поля утворюють тонкі шари електричного струму, які розриваються через магнітне перез’єднання. Цей процес полегшує енергетичний каскад від великого масштабу до малого, роблячи процес більш ефективним у турбулентна сонячна корона ніж вважалося раніше».
«Коли процес повторного підключення повільний, а турбулентний каскад швидкий, повторне підключення не може вплинути на передачу енергії в масштабах. Але коли швидкість повторного підключення стає достатньо високою, щоб перевищити традиційну швидкість каскаду, повторне підключення може більш ефективно перемістити каскад у бік малих масштабів».
«Він робить це шляхом розриву та повторного з’єднання силових ліній магнітного поля для створення ланцюжків маленьких закручених ліній, які називаються плазмоїдами. Це змінює розуміння турбулентного енергетичного каскаду, яке було загальноприйнятим понад півстоліття. Нове відкриття пов’язує швидкість передачі енергії зі швидкістю плазмоїди рости, посилюючи передачу енергії від великих масштабів до малих і сильно нагріваючи корону в цих масштабах».
Останнє відкриття показує режим із безпрецедентно великим магнітним числом Рейнольдса, подібним до сонячної корони. Величезне число характеризує високу швидкість передачі енергії турбулентного каскаду. Передача енергії, керована повторним з’єднанням, тим ефективніша, чим вище збільшується магнітне число Рейнольдса.
Симуляція є єдиною у своєму роді, яка задіяла понад 200 мільйонів комп’ютерних процесорів на об’єкті NASA Advanced Supercomputing (NAS).
Фізик PPPL Амітава Бхаттачарджі, професор астрофізики з Прінстона, який керував дослідженнями, сказав, «Цей чисельний експеримент вперше дав незаперечні докази існування теоретично передбаченого механізму для раніше невиявленого діапазону турбулентного енергетичного каскаду, контрольованого ростом плазмоїдів».
«Вплив цього відкриття на астрофізичні системи в різних масштабах можна досліджувати за допомогою сучасних і майбутніх космічних апаратів і телескопів. Розпакування процесу передачі енергії в різних масштабах буде мати вирішальне значення для вирішення ключових космічних таємниць».
Довідка з журналу:
- Chuanfei Dong та ін. Енергетичний каскад, керований перез’єднанням, у магнітогідродинамічній турбулентності. Наука розвивається. DOI: 10.1126/sciadv.abn7627
