Team producerer unik simulering af magnetisk genforbindelse

Jonathan Ng, en kandidatstuderende fra Princeton University ved US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), har for første gang anvendt en væskesimulering på rumplasmaprocessen bag soludbrud af nordlys og rumstorme. Modellen kan føre til forbedrede prognoser for rumvejr, der kan lukke mobiltelefontjenesten ned og beskadige elnet, samt til en bedre forståelse af det varme, ladet plasmagas, der giver næring til fusionsreaktioner.

Den nye simulering fanger fysikken bag magnetisk genforbindelse, at de magnetiske feltlinjer i plasma, der opstår overalt i universet, brydes fra hinanden og knipser sammen. Simuleringerne tilnærmer kinetiske effekter i en væskekode, som behandler plasma som en flydende væske, for at skabe et mere detaljeret billede af genforbindelsesprocessen.

Tidligere simuleringer brugte væskekoder til at producere forenklede beskrivelser af genforbindelse, der finder sted i det store rum, hvor vidt adskilte plasmapartikler sjældent støder sammen. Imidlertid, dette kollisionsfri miljø giver anledning til kinetiske effekter på plasmaadfærd, som væskemodeller normalt ikke kan fange.

Estimering af kinetisk adfærd

Den nye simulering estimerer kinetisk adfærd. "Dette er den første anvendelse af denne særlige væskemodel til at studere genforbindelsesfysik i rumplasmaer, " sagde Ng, hovedforfatter af resultaterne rapporteret i august i tidsskriftet Plasmas fysik .

Ng og medforfattere tilnærmede kinetiske effekter med en række væskeligninger baseret på plasmadensitet, momentum og pres. De afsluttede processen gennem en matematisk teknik kaldet "lukning", der gjorde dem i stand til at beskrive den kinetiske blanding af partikler fra ikke-lokale, eller storstilet, regioner. Den involverede type lukning blev oprindeligt udviklet af PPPL-fysiker Greg Hammett og afdøde Rip Perkins i forbindelse med fusionsplasmaer, gør dets anvendelse på rumplasmamiljøet til et eksempel på frugtbar krydsbefrugtning.

De færdige resultater stemte bedre overens med kinetiske modeller sammenlignet med simuleringer produceret af traditionelle væskekoder. De nye simuleringer kan udvide forståelsen af ​​genforbindelse til hele områder af rummet såsom magnetosfæren, det magnetiske felt, der omgiver Jorden, og give et mere omfattende overblik over den universelle proces.