Ny computermodel hjælper med at bringe solen ind i laboratoriet

Hver dag, solen udsender store mængder af en varm partikelsuppe kendt som plasma mod Jorden, hvor den kan forstyrre telekommunikationssatellitter og beskadige elektriske net. Nu, forskere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) og Princeton University's Department of Astrophysical Sciences har gjort en opdagelse, der kan føre til bedre forudsigelser af dette rumvejr og hjælpe med at beskytte følsom infrastruktur.

Opdagelsen kommer fra en ny computermodel, der forudsiger plasmaets adfærd i området over solens overflade kendt som solkoronaen. Modellen var oprindeligt inspireret af en lignende model, der beskriver opførselen af ​​plasmaet, der giver næring til fusionsreaktioner i doughnut-formede fusionsfaciliteter kendt som tokamaks.

Fusion, kraften, der driver solen og stjernerne, kombinerer lette elementer i form af plasma - det varme, ladet tilstand af stof sammensat af frie elektroner og atomkerner - der genererer enorme mængder energi. Forskere søger at replikere fusion på Jorden til en praktisk talt uudtømmelig strømforsyning til at generere elektricitet.

Princeton-videnskabsmændene gjorde deres resultater, mens de studerede magnetiske felter, der er trukket ind i og ud af solen. Under visse betingelser, løkkerne kan få varme partikler til at bryde ud fra solens overflade i enorme bøvser kendt som koronale masseudstødninger. Disse partikler kan til sidst ramme magnetfeltet omkring Jorden og forårsage nordlys, samt forstyrre elektriske og kommunikationssystemer.

"Vi er nødt til at forstå årsagerne til disse udbrud for at forudsige rumvejr, " sagde Andrew Alt, en kandidatstuderende i Princeton-programmet i Plasmafysik ved PPPL og hovedforfatter af papiret, der rapporterer resultaterne i Astrofysisk tidsskrift .

Modellen er afhængig af en ny matematisk metode, der inkorporerer en ny indsigt, som Alt og samarbejdspartnere opdagede i, hvad der forårsager ustabiliteten. Forskerne fandt ud af, at en form for jiggling kendt som "torus-ustabilitet" kunne forårsage, at magnetiske felter med reb løsnes fra solens overflade, udløser en oversvømmelse af plasma.

Torus-ustabiliteten løsner nogle af kræfterne, der holder rebene bundet ned. Når først disse kræfter svækkes, en anden kraft får tovene til at udvide sig og løfte sig længere væk fra soloverfladen. "Vores models evne til præcist at forudsige opførsel af magnetiske reb indikerer, at vores metode i sidste ende kan bruges til at forbedre forudsigelse af rumvejr, " sagde Alt.

Forskerne har også udviklet en måde til mere præcist at oversætte laboratorieresultater til forhold på solen. Tidligere modeller har været afhængige af antagelser, der gjorde beregninger nemmere, men som ikke altid simulerede plasma præcist. Den nye teknik er kun afhængig af rådata. "Antagelserne indbygget i tidligere modeller fjerner vigtige fysiske effekter, som vi ønsker at overveje, " sagde Alt. "Uden disse antagelser, vi kan lave mere præcise forudsigelser."

For at udføre deres forskning, forskerne skabte magnetiske fluxreb inde i PPPL's ​​Magnetic Reconnection Experiment (MRX), en tøndeformet maskine designet til at studere sammenkomsten og eksplosiv nedbrydning af magnetfeltlinjerne i plasma. Men fluxreb skabt i laboratoriet opfører sig anderledes end reb på solen, siden, for eksempel, fluxrebene i laboratoriet skal være indeholdt i en metalbeholder.

Forskerne lavede ændringer i deres matematiske værktøjer for at tage højde for disse forskelle, sikre, at resultater fra MRX kunne oversættes til solen. "Der er forhold på solen, som vi ikke kan efterligne i laboratoriet, " sagde PPPL fysiker Hantao Ji, en professor ved Princeton University, der rådgiver Alt og har bidraget til forskningen. "Så, vi justerer vores ligninger for at tage højde for fraværet eller tilstedeværelsen af ​​visse fysiske egenskaber. Vi er nødt til at sikre, at vores forskning sammenligner æbler med æbler, så vores resultater vil være nøjagtige."

Opdagelsen af ​​den jiggling plasma-adfærd kan også føre til mere effektiv produktion af fusionsdrevet elektricitet. Magnetisk genforbindelse og relateret plasmaadfærd forekommer i tokamaks såvel som på solen, så enhver indsigt i disse processer kan hjælpe videnskabsmænd med at kontrollere dem i fremtiden.

Støtte til denne forskning kom fra DOE, National Aeronautics and Space Administration, og den tyske forskningsfond. Forskningspartnere omfatter Princeton University, Sandia National Laboratories, universitetet i Potsdam, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, og det bulgarske videnskabsakademi.

PPPL, på Princeton University's Forrestal Campus i Plainsboro, N.J., er dedikeret til at skabe ny viden om plasmas fysik - ultrahot, ladede gasser – og til at udvikle praktiske løsninger til skabelse af fusionsenergi. Laboratoriet ledes af University for US Department of Energy's Office of Science, som er den største enkeltstående tilhænger af grundforskning i de fysiske videnskaber i USA og arbejder på at løse nogle af vor tids mest presserende udfordringer. For mere information, besøg energy.gov/science