Ученые сделали прорыв в разгадке тайны Солнца
10.02.2023 182 0
Исследователи обнаружили ранее неизвестный механизм нагрева, который объясняет, почему «солнечная корона», атмосфера, окружающая Солнце, намного горячее, чем солнечная поверхность, которая ее излучает.
Открытие Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США (DOE) может помочь решить несколько астрофизических загадок, включая звездообразование, источник крупномасштабных магнитных полей во Вселенной и предсказание космические погодные явления, которые могут вызвать перебои в работе сотовой связи и сбои в электросетях на Земле. Понимание процесса нагрева также имеет важное значение для исследований в области термоядерной энергии.
Работа ученых была опубликована в журнале Science Advances.
«Наше прямое численное моделирование является первым, которое обеспечивает четкую идентификацию этого механизма нагрева в трехмерном пространстве. Существующие инструменты телескопов и космических кораблей могут не иметь достаточно высокого разрешения, чтобы идентифицировать процесс, происходящий в малых масштабах», — сказал Чуанфей Донг, физик из PPPL и Принстонского университета, который провел 200 млн часов компьютерного времени для крупнейшего в мире моделирования нагрева.
Скрытый ингредиент — это процесс, называемый магнитным пересоединением, который разделяет и яростно снова соединяет магнитные поля в плазме , супе из электронов и атомных ядер, который образует солнечную атмосферу. Моделирование Донга показало, как быстрое повторное соединение силовых линий магнитного поля превращает крупномасштабную турбулентную энергию в небольшую внутреннюю энергию. Как следствие, турбулентная энергия эффективно преобразуется в тепловую энергию на малых масштабах, что приводит к перегреву короны.
По словам Донга, магнитные поля образуют тонкие слои электрического тока, которые распадаются из-за магнитного пересоединения. Этот процесс облегчает энергетический каскад от крупномасштабного к мелкомасштабному, делая процесс более эффективным в турбулентной солнечной короне, чем считалось ранее.
По его словам, когда процесс пересоединения медленный, а турбулентный каскад быстрый, пересоединение не может повлиять на передачу энергии между весами. Но когда скорость повторного подключения становится достаточно высокой, чтобы превысить традиционную скорость каскада, повторное подключение может более эффективно перемещать каскад в сторону малых масштабов. Он делает это, разрывая и соединяя линии магнитного поля, чтобы генерировать цепочки небольших скрученных линий, называемых плазмоидами. Это меняет понимание турбулентного энергетического каскада, которое было широко распространено более полувека, говорится в документе.
Новое открытие связывает скорость передачи энергии с тем, как быстро растут плазмоиды, усиливая передачу энергии от больших масштабов к малым и сильно нагревая корону в этих масштабах. Новое открытие демонстрирует режим с беспрецедентно большим магнитным числом Рейнольдса, как в солнечной короне. Большое число характеризует новую высокую скорость передачи энергии турбулентного каскада.
В документе говорится, что раскрытие процесса передачи энергии в разных масштабах будет иметь решающее значение для решения ключевых космических тайн.
Открытие Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США (DOE) может помочь решить несколько астрофизических загадок, включая звездообразование, источник крупномасштабных магнитных полей во Вселенной и предсказание космические погодные явления, которые могут вызвать перебои в работе сотовой связи и сбои в электросетях на Земле. Понимание процесса нагрева также имеет важное значение для исследований в области термоядерной энергии.
Работа ученых была опубликована в журнале Science Advances.
«Наше прямое численное моделирование является первым, которое обеспечивает четкую идентификацию этого механизма нагрева в трехмерном пространстве. Существующие инструменты телескопов и космических кораблей могут не иметь достаточно высокого разрешения, чтобы идентифицировать процесс, происходящий в малых масштабах», — сказал Чуанфей Донг, физик из PPPL и Принстонского университета, который провел 200 млн часов компьютерного времени для крупнейшего в мире моделирования нагрева.
Скрытый ингредиент — это процесс, называемый магнитным пересоединением, который разделяет и яростно снова соединяет магнитные поля в плазме , супе из электронов и атомных ядер, который образует солнечную атмосферу. Моделирование Донга показало, как быстрое повторное соединение силовых линий магнитного поля превращает крупномасштабную турбулентную энергию в небольшую внутреннюю энергию. Как следствие, турбулентная энергия эффективно преобразуется в тепловую энергию на малых масштабах, что приводит к перегреву короны.
По словам Донга, магнитные поля образуют тонкие слои электрического тока, которые распадаются из-за магнитного пересоединения. Этот процесс облегчает энергетический каскад от крупномасштабного к мелкомасштабному, делая процесс более эффективным в турбулентной солнечной короне, чем считалось ранее.
По его словам, когда процесс пересоединения медленный, а турбулентный каскад быстрый, пересоединение не может повлиять на передачу энергии между весами. Но когда скорость повторного подключения становится достаточно высокой, чтобы превысить традиционную скорость каскада, повторное подключение может более эффективно перемещать каскад в сторону малых масштабов. Он делает это, разрывая и соединяя линии магнитного поля, чтобы генерировать цепочки небольших скрученных линий, называемых плазмоидами. Это меняет понимание турбулентного энергетического каскада, которое было широко распространено более полувека, говорится в документе.
Новое открытие связывает скорость передачи энергии с тем, как быстро растут плазмоиды, усиливая передачу энергии от больших масштабов к малым и сильно нагревая корону в этих масштабах. Новое открытие демонстрирует режим с беспрецедентно большим магнитным числом Рейнольдса, как в солнечной короне. Большое число характеризует новую высокую скорость передачи энергии турбулентного каскада.
В документе говорится, что раскрытие процесса передачи энергии в разных масштабах будет иметь решающее значение для решения ключевых космических тайн.
| |