Nattebarrieren bremser forsigtigt sprængte plasmabobler

Solvinden, der støder Jordens magnetosfære på dagen, forårsager turbulens, som luft over en vinge. Fysikere ved Rice University har udviklet nye metoder til at karakterisere, hvordan det påvirker rumvejret på natsiden.

Der er sjældent stille deroppe. Solvinden strømmer rundt om Jorden og krydser ud i natten, men tættere på planeten, pakker af plasma bliver fanget i turbulensen og synker tilbage mod Jorden. Den turbulens forårsager store krusninger i plasmaet.

Ved hjælp af adskillige rumfartøjer og beregningsværktøjer udviklet i løbet af det sidste årti, Risforskere ledet af rumplasmafysiker Frank Toffoletto kan nu vurdere krusningerne, kaldet opdriftsbølger, forårsaget af turbulensen.

Disse bølger, eller svingninger, er blevet observeret i det tynde lag af magnetisk flux langs bunden af ​​plasmapladen, der stikker af fra planetens natside. Risteorien er den første til at kvantificere deres bevægelse.

Teorien tilføjer endnu et element til Rice Convection Model, en etableret, årtiers algoritme, der hjælper videnskabsmænd med at beregne, hvordan den indre og midterste magnetosfære vil reagere på begivenheder som solstorme, der truer satellitter, kommunikations- og elnet på Jorden.

Det nye papir i JGR Rumfysik af Toffoletto, emeritus-professor Richard Wolf og tidligere kandidatstuderende Aaron Schutza starter med at beskrive de bobler - "sprængte bulkstrømme" forudsagt af Wolf and Rice-alumnen Duane Pontius i 1990 - der falder tilbage mod Jorden gennem plasmahalen.

Funktionelt set, de er det omvendte af flydende luftbobler, der dupper op og ned i atmosfæren på grund af tyngdekraften, men plasmaboblerne reagerer i stedet på magnetiske felter. Plasmaboblerne mister det meste af deres momentum, når de rører ved det teoretiske, filamentlignende grænse mellem den indre plasmaplade og den beskyttende plasmasfære.

Det sætter bremsegrænsen til en blid svingning, som varer få minutter, før den stabiliseres igen. Toffoletto sammenlignede bevægelsen med en plukket guitarstreng, der hurtigt vender tilbage til ligevægt.

"Det smarte navn for dette er egentilstanden, " sagde han. "Vi forsøger at finde ud af magnetosfærens lavfrekvente egenmoder. De er ikke blevet studeret ret meget, selvom de ser ud til at være forbundet med dynamiske forstyrrelser af magnetosfæren."

Toffoletto sagde, at Rice-teamet i de seneste år har opdaget gennem simuleringer, at magnetosfæren ikke altid reagerer på en lineær måde på den konstante drivkraft fra solvinden.

"Du får alle slags bølgetilstande i systemet, " han sagde, forklarer, at sprængfyldte bulkstrømme er en sådan tilstand. "Hver gang en af ​​disse ting kommer flyvende ind, når de rammer den indre region, de når stort set deres ligevægtspunkt og svinger med en bestemt frekvens. At finde den frekvens er, hvad dette papir handler om."

Målt af THEMIS-rumfartøjet, perioderne for disse bølger er nogle få minutter, og amplituderne er ofte større end Jorden.

"Forståelse af systemets naturlige frekvens og hvordan det opfører sig kan fortælle os meget om de fysiske egenskaber af plasma på natsiden, dets transport og hvordan det kan være relateret til nordlys, " sagde han. "Mange af disse fænomener dukker op i ionosfæren som nordlysstrukturer, og vi forstår ikke, hvor disse strukturer kommer fra."

Toffoletto sagde, at modellerne tyder på, at flydende bølger kan spille en rolle i dannelsen af ​​ringstrømmen, der består af ladede partikler, der strømmer rundt om Jorden, såvel som magnetosfæriske substorme, som alle er forbundet med nordlyset.

Han sagde, at for ikke mere end ti år siden, mange magnetosfæresimuleringer "ville se meget ensartede ud, lidt kedeligt." Rice-gruppen samarbejder med Applied Physics Laboratory for at inkludere Rice Convection Model i en nyudviklet global magnetosfærekode kaldet "Gamera, " opkaldt efter det fiktive japanske monster.

"Nu, med sådanne modeller med højere opløsning og meget bedre numeriske metoder, disse strukturer begynder at dukke op i simuleringerne, " sagde Toffoletto. "Dette papir er en lille brik i det puslespil, vi lægger sammen om, hvordan systemet opfører sig. Alt dette spiller en stor rolle i forståelsen af, hvordan rumvejr fungerer, og hvordan det igen påvirker teknologien, satellitter og jordbaserede systemer."

Selve Rice Convection Model blev opdateret i denne måned i et papir ledet af den nylige Rice-alumne Jian Yang, nu lektor i jord- og rumvidenskab ved Southern University of Science and Technology, Shenzhen, Kina.