Forsker udforsker en bedre måde at forudsige rumvejr

Resultater for nylig offentliggjort af en rumforsker fra Southwest Research Institute (SwRI) kaster nyt lys over forudsigelse af termodynamikken af ​​soludbrud og andre "rumvejr"-begivenheder, der involverer varme, hurtigt bevægende plasmaer.

Videnskaben om statistisk mekanik er en af ​​søjlerne i forståelsen af ​​den termodynamiske adfærd af fænomener med et stort antal partikler, såsom gasser. Klassiske statistiske metoder har bestået tidens prøve for at beskrive jordbundne systemer, såsom den relativt tætte blanding af gasser, der udgør vores luft, forklarer Dr. George Livadiotis, en seniorforsker i SwRI's Space Science and Engineering Division.

Ved termisk ligevægt, hvor varmeenergi overføres ligeligt mellem gaspartikler, deres fordeling falder i et forudsigeligt forhold - masser af lavhastighedspartikler til kun nogle få hurtige. Partiklerne bevæger sig kaotisk, kolliderer ofte med hinanden. En statistisk ligning, kendt som en Maxwell-Boltzmann eller Maxwellsk distribution, karakteriserer præcist, hvordan denne blanding af partikler med forskellige hastigheder vil blive fordelt på Jorden.

Imidlertid, Livadiotis siger, ting er anderledes i rummet, som faktisk ikke er tom, men fyldt med plasma, den såkaldte fjerde tilstand af stof. Plasma består af elektrisk ladede partikler – det er hverken gas, flydende eller fast, selvom det ofte opfører sig som en gas.

Rumplasma som solvinden, der strømmer ud fra Solen, har et højere forhold mellem hurtigt bevægende partikler. I modsætning til gasser på Jorden, de er "korrelerede, " bevæger sig for det meste i samme retning, så de oplever færre kollisioner med hinanden. For disse omstændigheder, den Maxwellske distributionsmodel fungerer ikke længere godt. Livadiotis har bekræftet, at en separat statistisk ligning, kaldet "Kappa, " er mere anvendelig for rumfænomener.

Kappa er den matematiske ligning, der beskriver fordelingen af ​​partikelhastigheder ved termisk ligevægt, når der er korrelationer mellem partikelhastigheder, som det er typisk for kollisionsfri rumpartikelsystemer.

"Kappa-ligningen beregner fordelingen af ​​partikelhastigheder ved termisk ligevægt, når strømme af hurtigt bevægende partikler bevæger sig i massevis, " sagde han. "Det er den typiske situation for partikelsystemer såsom rumplasmaer."

Kappa forudsiger ikke kun rumplasma-partikelfordelinger bedre, men karakteriserer også deres termodynamiske adfærd bedre end den Maxwellske model, Livadiotis siger. Dette relaterer sig til, hvad der sker, når ekstremt varmt solvindplasma styrter ind i Jordens beskyttende tæppe af magnetisk ladede partikler, kendt som magnetosfæren.

"Kappa-fordelinger gjorde det muligt for forskere at foretage de første temperaturmålinger af den ydre heliosfære, " siger Livadiotis. "Med Kappa, vi kan dramatisk forbedre vores forståelse af rumstoffets natur og egenskaber, om det er solvinden, opblussen og koronale masseudstødninger, eller sjældne og mere ekstreme fænomener som kosmiske stråler."

Hans papir, "Termodynamisk oprindelse af Kappa distributioner, " er offentliggjort den 18. juni, 2018, udgave af EPL , en brevjournal, der udforsker fysikkens grænser.