Den skjulte mekanik ved genopkobling af magnetfelt, en nøglefaktor i solstorme og fusionsenergireaktorer

I juli 2012, en kraftig solstorm ramte næsten Jorden. Forskere vurderer, at der var storm, kaldet en koronal masseudstødning (CME), ramte planeten, virkningen ville have lamslået elnet over hele verden, udbrænding af transformere og instrumenter.

En NASA -sonde, der tilfældigvis lå i CME's vej, opdagede nogle af de ladede partikler, den indeholdt. Data, satellitten indsamlede, viste, at stormen var dobbelt så kraftfuld som en begivenhed i 1989, der slog hele Quebecs elnet ud, forstyrrede strømforsyningen i hele USA og gjorde nordlyset synligt så langt sydpå som Cuba. Faktisk, den seneste storm kan have været stærkere end den første og mest kraftfulde CME, der vides at ramme planeten, begivenheden i Carrington. Den storm fra 1859 sprøjtede gnister fra telegraflinjer, at sætte ild til telegrafstationer. Forskere sætter chancerne for, at en CME i Carrington-størrelse sker i 2024-og muligvis rammer Jorden-til 12 procent.

Sådanne hændelser opstår, når feltlinjer i solens massive magnetiske system snap og genopretter forbindelse. "Magnetfelter er et reservoir med en enorm mængde energi, og der sker store udbrudshændelser, hvor denne energi frigøres, "siger Amitava Bhattacharjee, en plasmafysiker ved Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), et Department of Energy facilitet i Princeton, New Jersey. "Ladede partikler har en tendens til at blive bundet til magnetfeltlinjer som perler på en ledning - når tråden går i stykker, perlerne bliver smidt af med enorme hastigheder. "

Fænomenet, kendt som hurtig magnetisk genforbindelse, forbliver et mysterium. Ingen ved, hvordan feltlinjer går i stykker og slutter sig hurtigt nok til at udvise de milliarder af tons materiale, der er frigjort i en CME, eller endda i de mindre udbrud af almindelige solblusser. I laboratorieforsøg og simuleringer, Bhattacharjee og hans kolleger har afsløret nye mekanismer, der hjælper med at forklare hurtig magnetisk genforbindelse.

Bhattacharjee har været på jagt efter sådanne mekanismer siden gymnasiet, da han indså, at plasmafysik er "en smuk, klassisk felt med vidunderlige ligninger, der var gode ting at analysere og lave computersimuleringer med, "siger han. Samtidig, han så, at plasmaer - som udgør 99,5 procent af det synlige univers - også er nøglen til "et meget praktisk og vigtigt problem for menneskeheden, nemlig magnetisk fusionsenergi. "

I årtier, atomfusionsmaskiner, såsom donutformede tokamakker, har lovet en praktisk talt ubegrænset forsyning af relativt ren energi. Men en fungerende fusionsenhed er stadig uden for rækkevidde, dels på grund af hurtig magnetisk tilslutning. "Magnetiske fusionsreaktorer har magnetfelter i sig, og disse magnetfelter kan også genoprette forbindelse og forårsage forstyrrende ustabilitet i et tokamak -fusionsplasma, "siger Bhattacharjee, professor i astrofysiske videnskaber ved Princeton University og leder af PPPLs afdeling for teori og beregning.

I den nuværende model for genforbindelse, modsatrettede magnetfelter skubbes sammen af ​​en eller anden ydre kraft, såsom plasmastrømme. En tynd, der dannes flade kontaktområder mellem de to felter, opbygning af spændinger i feltlinjerne. I denne tynde region, kaldet et aktuelt ark, plasmapartikler - ioner og elektroner - kolliderer med hinanden, bryde feltlinjer og lade dem danne nye, lavere energiforbindelser med partnere fra det modsatte magnetfelt. Men under denne model, linjerne genopretter kun så hurtigt, som de skubbes ind i det aktuelle ark-ikke nær hurtigt hurtigt nok til at forklare den enorme udgydelse af energi og partikler i en hurtig genforbindelse.

Da denne langsomme genforbindelsesmodel afhænger af kollisioner med plasma -partikler, mange forskergrupper har søgt efter kollisionsfrie effekter, der kan være årsag til hurtig genforbindelse. Lovende forklaringer fokuserer på ladede partiklers adfærd i det aktuelle ark, hvor feltstyrken er tæt på nul. Der, de ladede egenskaber ved den massive, træg ioner undertrykkes, og de smidige elektroner er fri til at transportere de nuværende og piskefeltlinjer til nye konfigurationer.

Til laboratorieforsøg på skjulte mekanismer, Bhattacharjees team bruger kraftfulde lasere ved University of Rochester's Omega -anlæg. For at udvikle computermodeller, gruppen bruger Titan, en Cray XK7 -supercomputer på Oak Ridge Leadership Computing Facility, en DOE Office of Science brugerfacilitet, gennem Office of Science's Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment (INCITE) -programmet. Office of Science's Fusion Energy Sciences -program og DOE National Nuclear Security Administration sponsorerer eksperimenterne.

I et tidligt eksperiment ledet af PPPL -forskningsfysikeren Will Fox, holdet pegede to intense Omega -lasere på materialer, der giver plasmabobler under bjælkerne. Hver boble genererede spontant sit eget magnetfelt gennem en effekt kendt som Biermann -batteriet. Som det sker i solen og atomfusionsenheder, ladede plasmapartikler stillet op på magnetfeltlinjerne. Boblerne pløjede ind i hinanden, og der dannedes et aktuelt ark mellem dem. Genforbindelsesfrekvensen mellem felterne var hurtig - for hurtig til klassisk teori.

"Det var her, vi først etablerede den underliggende mekanisme for genforbindelse, der sker i denne maskine, "Siger Bhattacharjee. Teamet havde nu en model til hurtig magnetisk genforbindelse, en anvendelig for tidligere pionereksperimenter udført af grupper i Storbritannien og USA. En simulering på Titan viste, at flere feltlinjer var proppet sammen i det aktuelle ark, end nogen havde indset, et fænomen kaldet flux pileup. Undersøgelsen viste, at ud over tidligere foreslåede kollisionsfrie effekter, flux pileup spiller en rolle i hurtig genforbindelse.

I senere forsøg ledet af Gennady Fiksel, nu ved University of Michigan, holdet ønskede ikke udelukkende at stole på spontant genererede magnetfelter. "Vi følte, at vi havde brug for større kontrol over de magnetfelter, vi brugte til genforbindelsesprocessen, "Siger Bhattacharjee." Og så brugte vi en ekstern generator kaldet MIFEDS (magneto-inertial fusion elektrisk udladningssystem), som producerede eksterne magnetfelter, vi kunne kontrollere. "

For at fange ændringer i dette felt, holdet fyldte rummet med et tyndt baggrundsplasma, genereret af en tredje laser, og afbildede det ved hjælp af en stråle af protoner, hvilke magnetfelter afbøjer. Når to plasmabobler rammer det ydre magnetfelt, teamet skabte det hidtil klareste billede af begivenheder, der finder sted i regionen, hvor feltlinjer genopretter forbindelse. Den nye konfiguration viste også flux pileup, efterfulgt af en genforbindelseshændelse, der omfattede små plasmabobler, der dannes i området mellem boblerne og, endelig, pludselig tilintetgørelse af magnetfeltet.

"Den mekanisme, vi fandt, er, at du danner dette tynde strømark, der derefter kan være ustabilt, i det, vi kalder en plasmoid ustabilitet, der bryder dette tynde strømark op i små magnetiske bobler, "Bhattacharjee siger." Den plasmoide ustabilitet er en ny mekanisme til begyndelsen af ​​hurtig genforbindelse, som sker på en tidsskala, der er uafhængig af plasmaets modstand. "

Bhattacharjee og hans kolleger arbejder på at forstå, hvordan deres opdagelse passer ind i det store billede af solaktivitet, solstorme og atomfusionsenheder. Når de og det bredere samfund af plasmafysikere fuldt ud forstår genforbindelse, evnen til at forudsige CME'er og tæmme nogle af plasmainstabiliteten inde i tokamak -reaktorer, for eksempel, kan være inden for rækkevidde.