Подтверждение источника процесса позади полярных сияний и образования звезд. Быстрое магнитное переподключение, быстрая сходимость, разделение и взрывное замыкание линий магнитного поля вызывают северное сияние, солнечные вспышки и геомагнитные бури, которые могут нарушить работу сотового телефона и электрических сетей. Это явление имеет место в плазме — состоянии материи, состоящей из свободных электронов и атомных ядер или ионов, составляющих 99 процентов видимой вселенной. Но может ли происходить быстрое переподключение в частично ионизованной плазме — плазме, которая включает атомы, а также свободные электроны и ионы — неясно.

Фото: CC0 Public Domain

Исследователи из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США разработали первую полностью кинетическую модель поведения частиц плазмы и обнаружили, что быстрое переподключение действительно может происходить в частично ионизованных системах. Кинетические модели имитируют распределение и скорость миллиардов частиц по сравнению с жидкостными моделями, которые рассматривают плазму как сплошную среду, а не как совокупность отдельных частиц.

«Существует целый класс частично ионизованной плазмы, чья связь с переподключением не была хорошо изучена», — сказал физик Джонатан Хара-Альмонте, ведущий автор статьи в Physical Review Letters, в которой сообщается о последних результатах. «Сейчас мы продемонстрировали, что быстрое переподключение может происходить в частично ионизированных системах».

Например, исследования показывают, что быстрое переподключение в частично ионизованной плазме в солнечной хромосфере, области между поверхностью Солнца и галообразной солнечной короной, может играть роль в развитии струйных течений. Такие потоки являются возможным источником солнечного ветра, который отскакивает горячую заряженную плазму от магнитного поля Земли.

Важные последствия

Быстрое переподключение в частично ионизованной плазме имеет важные последствия для межзвездной среды, огромных облаков газа и пыли, которые заполняют космос между звездами. Холодные, плотные области межзвездной среды, где образуются звезды, очень слабо ионизированы, и быстрое переподключение, происходящее в этих областях, может помочь удалить магнитные поля, которые предотвращают образование звезд.

Понимание того, когда и где происходит быстрое переподключение, остается нерешенной проблемой, и предыдущие аналитические прогнозы для частично ионизованной плазмы основывались на экстраполяции из полностью ионизованной плазмы. Новое моделирование, выполненное на компьютерах в Принстонском университете, продемонстрировало, что переход к быстрому переподключению происходит только тогда, когда текущий лист намного тоньше, чем прогнозировалось. Результаты показывают, что перенос плазмы и тепла различен в частично ионизованной плазме и может изменить как и когда происходит переподключение.

Эти результаты фокусируются на переподключении в очень небольших масштабах, в отличие от процесса, который происходит в солнечной хромосфере. Тем не менее, моделирование оказалось совместимым с переподключением в верхней хромосфере, а также в небольших лабораторных экспериментах.

В дальнейшем Jara-Almonte планирует сравнить результаты кинетического моделирования с результатами моделирования жидкости, которые доминировали в предыдущем моделировании частично ионизованной плазмы. Соавтором недавней статьи были физики PPPL Хантао Цзи, профессор астрофизических наук в Принстонском университете; Масааки Ямада, главный исследователь Эксперимента по магнитному восстановлению (MRX) в PPPL; и Уилл Фокс, вместе с Биллом Даутоном из Лос-Аламосской национальной лаборатории.

По материалам phys.org