|
Загадочные плазменные ударные волны в космосе
|
|
|
|
Представьте себе взрывное возмущение, вызванное сверхзвуковой реактивной струей. Подобная ударная волна возникает, когда субатомные частицы, известные как «солнечный ветер», исходят от Солнца и ударяются о магнитное поле Земли. Теперь ученые использовали недавно разработанный метод, чтобы улучшить прогнозы времени и интенсивности ударов солнечного ветра, которые иногда выводят из строя спутники связи и повреждают электрические сети. Исследовательская группа, возглавляемая Джеймсом Джуно, штатным физиком Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США, использовала так называемую «корреляцию между полем и частицами» (FPC) для подробного изучения того, как удар волны, состоящие из плазмы, горячего заряженного состояния вещества, которое составляет 99% видимой Вселенной, могут нагревать сгустки плазмы в космическом пространстве.
|
|
|
|
FPC — это алгоритм, который анализирует данные, полученные космическими кораблями или компьютерами, и определяет, как энергия магнитных полей и движущихся частиц плазмы изменяется туда и обратно. Процесс дает точную информацию о положении и скорости частиц по мере того, как происходят изменения. «Хотя многое из того, что мы обнаружили, было уже хорошо известно, теплообмен никогда раньше не изучался таким образом», — сказал Джеймс Джуно, штатный физик Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США и ведущий автор. статьи, сообщающей о результатах в The Astrophysical Journal. «Тот факт, что эта техника работает так хорошо, показывает нам, что есть новые способы взглянуть на старые проблемы».
|
|
|
Ученые PPPL изучают плазму, потому что она подпитывает реакции синтеза в устройствах в форме пончика, известных как токамаки, и извилистых объектах, известных как стеллараторы. Плазма — это смесь атомных ядер или ионов, электронов и нейтральных атомов, которые вместе обеспечивают протекание электрического тока. Этот поток позволяет плазме реагировать на магнитные поля, которые ученые используют для удержания плазмы в термоядерных установках. Исследователи пытаются использовать термоядерный синтез, приводящий в движение Солнце и звезды, для выработки электроэнергии без образования парниковых газов и долгоживущих радиоактивных отходов. Метод FPC показывает поведение плазмы, ранее не наблюдавшееся, в том числе то, какие части плазмы нагреваются и какие физические процессы за это ответственны. Старые методы могут дать только общую картину того, где и как нагревается плазма.
|
|
|
|
«Один из наших ключевых выводов заключается в том, что разные области плазмы могут по-разному реагировать на ударную волну», — сказал Юнона. «Теперь у нас есть более целостная картина того, что происходит во взаимодействии ударных волн». «Это означает, что мы можем обнаружить энергию конкретной частицы в определенном месте и что ударная волна передает энергию в конкретную область плазмы», — сказал Юнона. «Предыдущие методы не могут различать большое разнообразие происходящих процессов». Юнона и ее коллеги применили технику FPC, разработанную Грегори Хоусом из Университета Айовы, на данных, полученных с помощью программы моделирования плазмы, известной как Gkeyll (произносится как «Доктор Джекил» Роберта Луи Стивенсона). PPPL разработала код для моделирования движения частиц плазмы вокруг силовых линий магнитного поля на краю плазмы в установках синтеза токамаков. Ученые постоянно обновляют программу, чтобы расширить ее возможности.
|
|
|
|
«Gkeyll имеет много компонентов, которые применимы к целому ряду проблем с плазмой, от космической плазмы до лабораторных экспериментов по термоядерному синтезу», — сказал Аммар Хаким, заместитель заместителя директора лаборатории PPPL в отделе вычислительных наук. «А благодаря новым инвестициям Национального научного фонда в программу «Киберинфраструктура для устойчивых научных инноваций» мы улучшаем Gkeyll, чтобы сделать его национальным ресурсом для моделирования плазмы». Ученые могут использовать FPC для сбора информации о текущих космических путешествиях, таких как миссия NASA «Magnetospheric Multiscale» (MMS), в которой задействованы четыре спутника, летящие строем в области космоса, подверженной влиянию магнитного поля Земли. «Миссия MMS предоставляет невероятную возможность для изучения космической плазмы с использованием метода FPC», — говорит Коллин Браун, исследователь из Университета Айовы и соавтор статьи. «Это значительно расширяет наши возможности по изучению трехмерной структуры передачи энергии». Более того, «одно дело использовать суперкомпьютер для воспроизведения плазменной ударной волны», — сказал Юнона. «Но техника FPC действительно может помочь вам узнать что-то новое о мире. И это захватывающе».
|
|
|
|
Источник
|
