Cluster måler turbulens i Jordens magnetiske miljø

For første gang, forskere har estimeret, hvor meget energi der overføres fra store til små skalaer inden for magnetosheden, grænseområdet mellem solvinden og den magnetiske boble, der beskytter vores planet. Baseret på data indsamlet af ESA's Cluster og NASA's THEMIS-missioner over flere år, undersøgelsen viste, at turbulens er nøglen, gør denne proces hundrede gange mere effektiv end i solvinden.

Planeterne i solsystemet, inklusive vores jord, er badet i solvinden, en supersonisk strøm af meget energisk, ladede partikler frigivet ubønhørligt af Solen. Vores planet og et par andre skiller sig ud i denne altomfattende strøm af partikler:det er planeterne, der har deres eget magnetfelt, og repræsenterer således en hindring for solvindens fejende kraft.

Det er samspillet mellem Jordens magnetfelt og solvinden, der skaber magnetosfærens indviklede struktur, en beskyttende boble, der skærmer vores planet mod langt de fleste solvindpartikler.

Indtil nu, forskere har opnået en ret god forståelse af de fysiske processer, der finder sted i solvindens plasma og i magnetosfæren. Imidlertid, mange vigtige aspekter mangler stadig med hensyn til samspillet mellem disse to miljøer og om den meget turbulente region, der adskiller dem, kendt som magnetosheath, hvor der er mistanke om, at det meste af den interessante handling sker.

"For at lære, hvordan energi overføres fra solvinden til magnetosfæren, vi skal forstå, hvad der foregår i magnetskeden, det 'grå område' mellem dem, "siger Lina Zafer Hadid, fra det svenske institut for rumfysik i Uppsala, Sverige.

Lina er hovedforfatter af en ny undersøgelse, der kvantificerer, for første gang, turbulensens rolle i magnetskeden. Resultaterne offentliggøres i dag i Fysiske anmeldelsesbreve .

"I solvinden, vi ved, at turbulens bidrager til spredning af energi fra store skalaer på hundredtusindvis af kilometer til mindre skalaer på en kilometer, hvor plasmapartikler opvarmes og accelereres til højere energier, " forklarer medforfatter Fouad Sahraoui fra Laboratory of Plasma Physics i Frankrig.

"Vi havde mistanke om, at en lignende mekanisme også måtte være på spil i magnetoskeden, men vi kunne aldrig teste det før nu, " tilføjer han.

Magnetoshedplasmaet er mere turbulent, hjem i større grad af tæthedsudsving og kan komprimeres i langt højere grad end solvinden. Som sådan, det er væsentligt mere komplekst, og videnskabsmænd har først i de senere år udviklet den teoretiske ramme for at studere de fysiske processer, der finder sted i et sådant miljø.

Lina, Fouad og deres samarbejdspartnere finkæmpede en stor mængde data indsamlet mellem 2007 og 2011 af de fire rumfartøjer i ESA's Cluster og to af de fem rumfartøjer i NASA's THEMIS-missioner, som flyver i formation gennem Jordens magnetiske miljø.

Da de anvendte de nyligt udviklede teoretiske værktøjer til deres dataprøve, de ventede sig en stor overraskelse.

"Vi fandt ud af, at tæthed og magnetiske udsving forårsaget af turbulens i magnetosheathen forstærker den hastighed, hvormed energi kaskader fra store til små skalaer med mindst hundrede gange i forhold til, hvad der observeres i solvinden, ”forklarer Lina.

Den nye undersøgelse viser, at der overføres omkring 10-13 J energi pr. kubikmeter hvert sekund i denne region af Jordens magnetiske miljø.

"Vi forventede, at komprimerbar turbulens ville have en indflydelse på energioverførslen i magnetosheath plasma, men ikke at det ville være så vigtigt, " tilføjer hun.

Ud over, forskerne var i stand til at udlede en empirisk korrelation, der forbinder den hastighed, hvormed energi spredes i magnetosheathen, med fjerde potens af en anden størrelse, der bruges til at studere væskers bevægelse, det såkaldte turbulente Mach-tal. Opkaldt efter den østrigske fysiker Ernst Mach, den kvantificerer hastigheden af ​​fluktuationer i en strømning i forhold til lydens hastighed i den væske, angiver om et flow er subsonisk eller supersonisk.

Mens energioverførselshastigheden er vanskelig at bestemme, medmindre der bruges rumsonder, der tager in situ målinger, ligesom Cluster-rumfartøjet, der prøver plasmaet rundt om Jorden, Mach-tallet kan lettere estimeres ved hjælp af fjernobservationer af en række forskellige astrofysiske plasma uden for vores planets område.

"Hvis denne empiriske relation viser sig at være universel, det vil være yderst nyttigt at udforske kosmisk plasma, der ikke kan undersøges direkte med rumfartøjer, såsom det interstellare medium, der gennemsyrer vores Mælkevej og andre galakser, siger Fouad.

Forskerne ser frem til at sammenligne deres resultater med målinger af plasmaet omkring andre solsystemplaneter med et iboende magnetisk felt, for eksempel ved at bruge NASAs Juno-mission, i øjeblikket ved Jupiter, og ESA's fremtidige Jupiter Icy Moons Explorer, og også den fælles ESA-JAXA BepiColombo-mission til Merkur, der er planlagt til lancering senere på året.

"Det er meget spændende, at en undersøgelse baseret på flere års klyngedata har fundet nøglen til at adressere en større, langt uløst spørgsmål i plasmafysik, " siger Philippe Escoubet, Cluster Project Scientist hos ESA.