Genforbindelse tæmmer de turbulente magnetfelter omkring Jorden

Når solvinden - som i virkeligheden er en drivende regn af ladede partikler fra solen - rammer Jordens beskyttende magnetfelt, chokket frembringer bølgende, turbulente magnetfelter, der omslutter planeten og strækker sig over flere hundrede tusinde kilometer.

Hvor bliver al den turbulente energi af?

En af NASAs rumvejrmissioner, kaldet Magnetospheric Multiscale eller MMS, har opdaget en overraskende måde, hvorpå denne turbulente energi spredes:Den magnetiske energi omdannes til højhastighedsstråler af elektroner, når magnetfelterne brydes og forbindes igen.

Opdagelsen vil hjælpe forskere med at forstå den rolle magnetisk genforbindelse spiller andre steder i rummet, for eksempel, ved at opvarme den uforklarligt varme solkorona – solens ydre atmosfære – og accelerere den supersoniske solvind. NASAs kommende Parker Solar Probe-mission vil blive lanceret direkte mod solen denne sommer for at undersøge præcis disse fænomener, bevæbnet med denne nye forståelse af magnetisk genforbindelse nær Jorden.

Og da magnetisk genforbindelse finder sted i hele universet, hvad videnskabsmænd lærer om det omkring vores planet - hvilket er lettere at undersøge - kan anvendes på andre processer længere væk.

"MMS opdagede elektronmagnetisk genforbindelse, en ny proces, der er meget forskellig fra den standard magnetiske genforbindelse, der sker i roligere områder omkring Jorden, " sagde Tai Phan, en senior fellow i Space Sciences Laboratory ved University of California, Berkeley. "Dette fund hjælper videnskabsmænd med at forstå, hvordan turbulente magnetfelter spreder energi gennem hele kosmos."

Phan er hovedforfatter på et papir, der beskriver resultaterne, der vil blive offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Natur .

"Turbulens opstår overalt i rummet:på solen, i solvinden, interstellært medium, dynamoer, tilvækstskiver omkring stjerner, i aktive galaktiske kernestråler, supernova-rester stød og mere, " sagde Michael Shay fra University of Delaware, medforfatter til papiret.

Turbulente magnetfelter er forskellige

Standard magnetisk genforbindelse observeres i Jordens relativt rolige magnetosfære, som er som et magnetisk kraftfelt, der beskytter planeten mod den intense solvind. Inden for denne region, bølgende magnetfelter kan krydse, bryde og genoprette forbindelsen; de genforbundne magnetfeltlinjer snapper som et gummibånd og kaster ioniserede atomer med høj hastighed gennem magnetosfæren.

Ionstrålerne, kiler af ioniserede brintatomer, der suser af sted i modsatte retninger, opvarme gasserne omkring Jorden og drive rumvejr. Nogle af de ladede partikler ledes til nord- og sydpolen, hvor de kolliderer med atomer i atmosfæren og skaber nordlys.

Den nye proces finder sted længere fra Jordens overflade, i en turbulent zone, hvor solvinden rammer en chokbølge omkring Jorden og bremser drastisk. Det dobbelte af jordens bredde, denne zone - magnetoskeden - er meget turbulent.

"Turbulensen i magnetoskeden indeholder en masse magnetisk energi, " sagde Phan. "Folk har diskuteret, hvordan denne energi spredes, og magnetisk genforbindelse er en af ​​de mulige processer."

Phan og hans kolleger brugte data fra MMS til at bevise, at den nye elektronmagnetiske genforbindelsesproces sker i mindre skala i turbulens og skaber stråler af elektroner i stedet for ioner. Elektronerne bevæger sig omkring 40 gange hurtigere end ioner, der accelereres ved standard genforbindelse.

"Vi har nu beviser på, at genforbindelse sker for at sprede turbulent energi i magnetoskeden, men det er en ny form for genforbindelse, " sagde Shay.

Kan magnetfelter være for turbulente til at forbindes igen?

Magnetisk genforbindelse er blevet observeret utallige gange i magnetosfæren, men altid under rolige forhold. Den nye begivenhed fandt sted i magnetosheath lige uden for magnetosfærens ydre grænse. Tidligere, videnskabsmænd vidste ikke, om genforbindelse kunne ske der, fordi plasmaet er meget kaotisk i den region, sagde Phan.

MMS fandt ud af, at det gør, men på skalaer meget mindre end tidligere rumfartøjer kunne sondere og teori ville forudsige. Fordi det kun involverer elektroner, det forblev skjult for videnskabsmænd, der ledte efter den afslørende signatur af standard magnetisk genforbindelse:ionstråler.

"Vi tror, ​​det skyldes, at elektronerne er hurtige og lette og nemt kan deltage, men de langsomme og tunge protoner kan ikke, " sagde Jonathan Eastwood, en underviser ved Imperial College London og medforfatter til papiret. "Samlet set, dette resultat åbner op for nye forskningsområder i turbulent genforbindelse."

MMS består af fire identiske rumfartøjer, der flyver i en pyramide eller tetraedrisk formation for at studere magnetisk genforbindelse rundt om Jorden i tre dimensioner. Fordi rumfartøjerne flyver utrolig tæt sammen - med en gennemsnitlig adskillelse på kun fire og en halv miles - er de i stand til at observere fænomener, ingen har set før. Desuden, MMS's instrumenter er designet til at fange data med hastigheder 100 gange hurtigere end tidligere missioner.

Selvom instrumenterne ombord på MMS er utrolig hurtige, de er stadig for langsomme til at fange turbulent genforbindelse i aktion, hvilket kræver at observere smalle lag af hurtigt bevægende partikler slynget af de tilbagesvingende feltlinjer. Sammenlignet med standard genforbindelse, hvor brede stråler af ioner strømmer ud fra stedet for genforbindelse, turbulent genforbindelse udstøder smalle stråler af elektroner kun et par miles brede.

Men MMS-forskere var i stand til at udnytte designet af ét instrument, den hurtige plasmaundersøgelse, at skabe en teknik, der tillod dem at læse mellem linjerne og samle ekstra datapunkter for at løse jetflyene.

"Den vigtigste begivenhed i papiret sker på 45 millisekunder. Dette ville være et datapunkt med de almindelige data, " sagde Amy Rager, en kandidatstuderende ved Catholic University of America i Washington, D.C., som arbejdede på NASAs Goddard Space Flight Center for at udvikle teknikken. "Men i stedet kan vi få seks til syv datapunkter i den region med denne metode, giver os mulighed for at forstå, hvad der sker."

Med den nye metode MMS-forskerne håber på, at de kan finkæmme eksisterende datasæt for at finde flere af disse begivenheder, og potentielt også andre uventede opdagelser.