Как на Земле, так и в космосе. Четырехспутниковая миссия, изучающая магнитное пересоединение - разрыв и взрывное повторное соединение силовых линий магнитного поля в плазме, происходящее по всей Вселенной, - обнаружила, что ключевые аспекты этого процесса в космосе поразительно похожи на те, которые были обнаружены в экспериментах на Земле. Принстонская лаборатория физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США (DOE). Сходство показывает, как исследования дополняют друг друга: лаборатория фиксирует важные глобальные особенности воссоединения, а космический корабль документирует локальные ключевые свойства по мере их возникновения.
Наблюдения, сделанные миссией магнитосферного многомасштабного спутника (MMS), которую НАСА запустило в 2015 году для изучения пересоединения в магнитном поле, окружающем Землю, довольно хорошо согласуются с прошлыми и настоящими лабораторными результатами эксперимента по магнитному воссоединению (MRX) в PPPL. Предыдущее исследование MRX раскрыло процесс, при котором происходит быстрое повторное подключение, и определило количество магнитной энергии, которая преобразуется в энергию частиц во время процесса, что приводит к северному сиянию, солнечным вспышкам и геомагнитным бурям, которые могут нарушить работу сотовой связи, отключить электроэнергию. сети и повредить орбитальные спутники.
Рекомендации по измерению MMS
Предыдущие результаты MRX послужили ориентиром для измерений, проведенных миссией MMS, которая стремится понять область, в которой происходит повторное соединение силовых линий в плазме - состояние материи, состоящей из свободных электронов и атомных ядер или ионов. - происходит. Последние эксперименты PPPL расширяют результаты до новых областей согласия. «Несмотря на огромные различия в размерах слоев пересоединения в MRX и в космосе, в обоих случаях наблюдаются удивительно схожие характеристики», - сказал Масааки Ямада, главный исследователь MRX и ведущий автор недавней статьи, сообщающей о результатах в декабрьском отчете. 6 выпуск Nature Communications.
В прошлых лабораторных исследованиях изучалось «симметричное» пересоединение, при котором плотность плазмы по обе стороны от областей пересоединения примерно одинакова. В новой статье рассматривается пересоединение в магнитопаузе - внешней области магнитосферы - и в «асимметричном» MRX, означающем, что плазма на одной стороне области как минимум в 10 раз плотнее, чем на другой. Миссия MMS сосредоточила свои первоначальные исследования на асимметричном аспекте воссоединения, поскольку плазма в солнечном ветре - заряженные частицы, вытекающие из Солнца - намного плотнее, чем плазма в магнитосфере.
В новой статье исследователи изучают так называемую «двухжидкостную» физику воссоединения, которая по-разному описывает каждое поведение ионов и электронов во время процесса. Такая физика доминирует в магнитном пересоединении как в MRX, так и в магнитосферных плазменных системах, обеспечивая беспрецедентный уровень перекрестного исследования между лабораторными измерениями и космическими наблюдениями.
Основные выводы
Ниже приведены основные результаты двухжидкостного асимметричного исследования MRX, которые, как показано, находятся в поразительном согласии с измерениями поведения электронов и ионов с помощью космических спутников и преобразованием магнитной энергии в энергию частиц. Компьютерное моделирование помогло сделать следующие выводы:
- Электроны. Эксперименты показали, что электронный ток течет перпендикулярно, а не параллельно, как считалось ранее, магнитному полю. Этот поток является ключом к преобразованию магнитной энергии в электроны, которое происходит в узком пограничном слое, называемом «областью диффузии электронов», где происходит быстрое пересоединение. Вывод согласуется с недавними космическими измерениями MMS и новым в лаборатории для асимметричного повторного соединения.
- Ионы. Ионный ток также течет перпендикулярно магнитному полю, как и в случае электрона, и также является ключом к преобразованию магнитной энергии ионов в энергию частиц. Для ионов это преобразование происходит в более широкой «зоне диффузии ионов» между сходящимися плазмами и является таким же недавним открытием об асимметричном пересоединении в лабораторной плазме.
Эксперименты MRX дополнительно изучали различные аспекты конверсии в симметричном и асимметричном случаях. Ранее было обнаружено, что при симметричном пересоединении 50 процентов магнитной энергии преобразуется в ионы и электроны, причем одна треть преобразования затрагивает электроны, а две трети ускоряют ионы. Общая скорость преобразования остается примерно такой же в асимметричном случае, как и отношение преобразования энергии для ионов и электронов.