Tager en tur på plasma-rumtornadoer med NASA-observationer

Det interplanetariske rum er næppe roligt. Højenergiladede partikler fra Solen, såvel som fra hinsides vores solsystem, konstant suser forbi. Disse kan beskadige satellitter og bringe astronauters sundhed i fare - selvom heldigvis for livet på jorden, planeten er dækket af en beskyttende magnetisk boble skabt af dens magnetfelt. denne boble, kaldet magnetosfæren, afleder de fleste af de skadelige højenergipartikler.

Alligevel, nogle sniger sig igennem - og på forkant med at finde ud af, hvordan dette sker, er NASA's Magnetospheric Multiscale-mission, eller MMS. Nye resultater viser, at tornado-lignende hvirvler af rumplasma skaber en grænse, der er tumultagtig nok til at lade partikler glide ind i jordens rum.

MMS, lanceret i 2015, bruger fire identiske rumfartøjer, der flyver i en pyramideformation til at tage et tredimensionelt kig på det magnetiske miljø omkring Jorden. Missionen studerer, hvordan partikler overføres til magnetosfæren ved at fokusere på årsagerne og virkningerne af magnetisk genforbindelse - en eksplosiv begivenhed, hvor magnetiske feltlinjer krydser hinanden, sender elektroner og ioner fra solvinden ind i magnetosfæren.

Ved at kombinere observationer fra MMS med nye 3-D computersimuleringer, videnskabsmænd har været i stand til at undersøge den lille skala fysik af, hvad der sker ved vores magnetosfæres grænser for første gang. Resultaterne, for nylig offentliggjort i et blad i Naturkommunikation , er nøglen til at forstå, hvordan solvinden nogle gange trænger ind i Jordens magnetosfære, hvor den kan forstyrre satellitter og GPS-kommunikation.

Inde i magnetosfæren, tætheden af ​​rumplasmaet - ladede partikler, ligesom elektroner og ioner - er meget lavere end plasmaet udenfor, hvor solvinden hersker. Grænsen, kaldet magnetopausen, bliver ustabil, når de to forskellige tæthedsområder bevæger sig med forskellige hastigheder. Kæmpe hvirvler, kaldet Kelvin Helmholtz bølger, dannes langs kanten som brusende havbølger. Den engang så glatte grænse bliver sammenfiltret og klemt, danner plasmatornadoer, som fungerer som koøjer til transport af ladede partikler fra solvinden ind i magnetosfæren.

Kelvin Helmholtz-bølger findes overalt i universet, hvor to materialer med forskellig tæthed bevæger sig forbi hinanden. De kan ses i skyformationer rundt om Jorden og er endda blevet observeret i andre planetariske atmosfærer i vores solsystem.

Ved at bruge computersimuleringer i stor skala af denne blanding, udført på Oak Ridge National Laboratory i Oak Ridge, Tennessee, på Titan supercomputeren, og sammenligne dem med observationer MMS tog, mens de passerede gennem et sådant område i rummet, forskere var i stand til at vise, at tornadoerne var ekstremt effektive til at transportere ladede partikler - meget mere end tidligere antaget. Sammenligningerne mellem simuleringerne og observationerne gjorde det muligt for forskerne at måle de nøjagtige dimensioner af tornadoerne. De fandt, at disse tornadoer var både store og små - dem nåede 9, 300 miles affødte mindre tornadoer 60 til 90 miles brede og over 125 miles lange.

MMS flyttede for nylig ind i en ny bane, flyver på den anden side af jorden, væk fra Solen. Også her, det vil fortsætte med at studere magnetisk genforbindelse, men fokuser i stedet på, hvordan energi og partikler interagerer i Jordens magnetosfære, i den lange slæbende magnetohale. At forstå sådanne fundamentale processer i Jordens nabolag hjælper med at forbedre vores situationsbevidsthed om det rum, der omgiver os – afgørende information, efterhånden som den bliver mere og mere fyldt med satellitter og kommunikationssystemer, vi er afhængige af.