Realistiske solcorona sløjfer simuleret i laboratorium

Caltech -anvendte fysikere har eksperimentelt simuleret solens magnetfelter for at skabe en realistisk koronal sløjfe i et laboratorium.

Koronale sløjfer er plasmabuer, der bryder ud fra solens overflade og følger langs magnetfeltlinjer. Fordi plasma er en ioniseret gas - det vil sige en gas af fritstrømmende elektroner og ioner-det er en glimrende leder af elektricitet. Som sådan, solcorona sløjfer styres og formes af solens magnetfelt.

Jordens magnetfelt fungerer som et skjold, der beskytter mennesker mod de stærke røntgenstråler og energipartikler, der udsendes ved udbrud, men kommunikationssatellitter kredser uden for dette skjoldfelt og forbliver derfor sårbare. I marts 1989, en særlig stor bluss udløste en eksplosion af ladede partikler, der midlertidigt slog en af ​​National Oceanic and Atmospheric Administration's geostationære operationelle miljøsatellitter, der overvåger jordens vejr; forårsaget et sensorproblem på rumfærgen Discovery; og udløste afbrydere på Hydro-Québecs elnet, hvilket forårsagede en stor blackout i provinsen Quebec, Canada, i ni timer.

"Dette potentiale for at forårsage kaos - hvilket kun øger jo mere menneskeheden er afhængig af satellitter til kommunikation, vejrudsigter, og holde styr på ressourcer - gør forståelse for, hvordan disse solbegivenheder fungerer kritisk vigtigt, "siger Paul Bellan, professor i anvendt fysik i Division of Engineering and Applied Science.

Selvom der tidligere er blevet oprettet simulerede koronale sløjfer i laboratorier, dette seneste forsøg inkorporerede et magnetisk omsnøringsfelt, der binder sløjfen til solens overflade. Tænk på et omsnøringsfelt som metalbøjlerne på ydersiden af ​​en trætønde. Mens tønderens lameller konstant er under pres og skubber udad, metalbøjlerne sidder vinkelret på lamellerne og holder tønden sammen.

Styrken i dette omsnøringsfelt falder med afstanden til solen. Det betyder, at når tæt på soloverfladen, sløjferne klemmes tæt fast af omsnøringsfeltet, men kan derefter bryde løs og sprænge væk, hvis de stiger til en vis højde, hvor omlægningsfeltet er svagere. Disse udbrud er kendt som solblusser og koronale masseudstødninger (CME'er).

CME'er er reblignende udledninger af varmt plasma, der accelererer væk fra solens overflade med hastigheder på mere end en million miles i timen. Disse udbrud er i stand til at frigive energi svarende til 1 milliard megaton TNT, hvilket gør dem potentielt til de mest kraftfulde eksplosioner i solsystemet. (CME'er må ikke forveksles med solblusser, som ofte forekommer som en del af den samme begivenhed. Solblusser er lys- og energibeslag, mens CME'er er sprængninger af partikler indlejret i et magnetisk felt.)

De simulerede sløjfer og strapping felter giver ny indsigt i, hvordan energi lagres i solcoronaen og derefter frigives pludselig. Bellan arbejdede sammen med Caltech -kandidatstuderende Bao Ha (MS '10, PhD '16) for at oprette omsnøringsfelt og koronalsløjfe. Resultaterne af deres eksperimenter blev offentliggjort i tidsskriftet Geofysiske forskningsbreve den 17. september, 2016.

Bellan og hans kolleger har arbejdet med laboratorieskala simuleringer af solcorona-fænomener i to årtier. I laboratoriet, holdet genererer reb af plasma i et 1,5 meter langt vakuumkammer.

"At studere koronale masseudstødninger er udfordrende, da mennesker ikke ved, hvordan og hvornår solen vil bryde ud. Men laboratorieforsøg tillader kontrol af udbrudsparametre og muliggør systematiske udforskninger af udbrudsdynamik, "siger Ha, hovedforfatter til GRL -papiret. "Selvom eksperimenter med de samme udbrudsparametre let kan reproduceres, loop -dynamikken varierer afhængigt af konfigurationen af ​​det magnetiske feltbånd. "

Det var vanskeligt at simulere et omsnøringsfelt med styrke, der falmer over vakuumkammerets relativt korte længde, Siger Bellan. For at få det til at fungere, Ha og Bellan måtte konstruere elektromagnetiske spoler, der producerer omsnøringsfeltet inde i selve kammeret.

Efter mere end tre års design, fremstilling, og test, Bellan og Ha var i stand til at skabe et omsnøringsfelt, der topper i styrke cirka 10 centimeter væk fra, hvor plasmaslyngen dannes, dør derefter af en kort afstand længere nede i vakuumkammeret.

Arrangementet gør det muligt for Bellan og Ha at se plasmasløjfen langsomt vokse i størrelse, nå derefter et kritisk punkt og fyr af til den yderste ende af kammeret.

Næste, Bellan planlægger at måle magnetfeltet inde i den udbrudte sløjfe og også studere de bølger, der udsendes, når plasmaer går i stykker.