Undersøgelse viser, hvordan Jorden bremser solvinden til en let brise

Når Jorden kredser om solen med supersonisk hastighed, den skærer en sti gennem solvinden. Denne hurtige strøm af ladede partikler, eller plasma, lanceret fra solens yderste lag ville bombardere Jordens atmosfære, hvis ikke for at beskytte Jordens magnetfelt.

Ligesom en motorbåd skaber en bue-formet bølge foran sig selv, når skroget skubber gennem vandet, Jorden skaber en lignende effekt - kaldet et stævnestød - som den skubber gennem solvinden. Forskere har søgt at forklare, hvordan Jordens magnetfelt kan skubbe den kraftige solvind til side uden at udløse katastrofe. De har kendt en del af svaret i lang tid:Bue -stødet omdanner energi fra solvinden til varme lagret i elektroner og ioner. Men nu, forskere har vigtige nye spor om, hvordan denne proces sker.

En undersøgelse ledet af University of Maryland beskriver de første observationer af processen med elektronopvarmning i Jordens stævnestød. Forskerne fandt ud af, at når elektronerne i solvinden støder på buestødet, de accelererer øjeblikkeligt til en så høj hastighed, at elektronstrømmen bliver ustabil og bryder sammen. Denne nedbrydningsproces frarøver elektronerne deres høje hastighed og omdanner energien til varme.

Resultaterne tilføjer en vigtig ny dimension til forskernes forståelse af Jordens magnetfelt og dets evne til at beskytte planeten mod skadelige partikler og stråling. Forskningspapiret blev offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve den 31. maj, 2018.

"Hvis du skulle stå på en bjergtop, du kan blive væltet af en hurtig vind, "forklarede Li-Jen Chen, hovedforfatter af undersøgelsen og en associeret forsker ved UMD Institut for Astronomi. "Heldigvis, som solvinden styrter ind i Jordens magnetfelt, stævnestødet beskytter os ved at bremse denne vind og ændre den til en dejlig, varm brise. Vi har nu en bedre idé om, hvordan dette sker. "

Forskerne indhentede deres data fra NASA's Magnetospheric Multiscale (MMS) mission. MMS -missionen består af fire identiske satellitter, der bærer instrumenter til at studere fysikken i Jordens magnetfelt, når det interagerer med solvinden. Satellitterne opnåede tredimensionelle målinger hvert 30. millisekund, hvilket resulterer i hundredvis af målinger inden for sløjfestødslaget. Disse højfrekvente, præcise målinger fra MMS -missionen var afgørende for undersøgelsen.

"De ekstremt hurtige målinger fra MMS tillod os endelig at se elektronopvarmningsprocessen i det tynde stødlag, "sagde Thomas Moore, en senior projektforsker ved NASAs Goddard Space Flight Center og en medforfatter af undersøgelsen. "Dette er banebrydende, for nu har vi evnen til at identificere mekanismen på arbejdet, i stedet for bare at observere dens konsekvenser. "

Forskere har i nogen tid vidst, at stævnestødet på en eller anden måde er i stand til at omdanne energien i elektroner til varme uden direkte kollisioner mellem elektronerne. Det betyder, at friktion - en almindelig måde at generere varme her på jorden - ikke er ansvarlig for elektronopvarmning i stævnestød.

"De nye observationer af elektronacceleration ved stævnestødet omskriver den nuværende forståelse af elektronopvarmning, "sagde Chen, som også er forsker ved NASAs Goddard Space Flight Center. "For eksempel, forskere forventede ikke, at stævnestødet kunne accelerere solvindens elektronstrøm til de hastigheder, vi observerede. "

I en tidligere fase af MMS -missionen, satellitterne kredsede typisk meget tættere på Jorden, så de savnede normalt stævnestødet. Imidlertid, et uventet udbrud af solvind skubbede stævnestødet tættere på Jorden, tillader satellitterne at fange sjældne og informative data.

Ved at tage fordel af denne fordel, forskerne observerede solvindens elektronstrøm før, under og efter mødet med stævnestødet. Elektronstrømmen accelereret af stødet tog kun 90 millisekunder at destabilisere og bryde fuldstændigt.

"Undersøgelsen af ​​elektronopvarmning er vigtig ikke kun for at forstå, hvordan stævnestødet beskytter jorden, men muligvis for satellitter, rumrejser og måske udforske andre planeter i fremtiden, "Sagde Chen.

Ved at give det første klare billede af, hvad elektroner ved stævnestødet gør, Chen og hendes samarbejdspartnere håber at tilskynde andre forskere til at udføre computersimuleringer, yderligere rumobservationer og laboratorieforsøg om elektronopvarmning. Chen ser også frem til at komme nærmere ind på de mekanismer, hvormed stævnestødet fremskynder elektronstrømmen.

"Typisk, forskere har simuleringer eller teorier til at forudsige, hvad der sker, og derefter designer de eksperimenter for at måle det, "Sagde Chen." Denne gang er det modsat:målingen kom først. Simuleringen og teorien bliver nødt til at indhente. "