Eksperimenter på PPPL viser bemærkelsesværdig overensstemmelse med satellitobservationer

Som på jorden, altså i rummet. En fire-satellit mission, der studerer magnetisk genforbindelse - den nedbrydende og eksplosive genforbindelse af magnetfeltlinjerne i plasma, der forekommer i hele universet - har fundet ud af, at nøgleaspekter af processen i rummet er slående ens med dem, der blev fundet i eksperimenter på US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL). Lighederne viser, hvordan undersøgelserne supplerer hinanden:Laboratoriet fanger vigtige globale træk ved genforbindelse, og rumfartøjet dokumenterer lokale nøgleegenskaber, efterhånden som de opstår.

Observationerne foretaget af Magnetospheric Multiscale Satellite (MMS) missionen, som NASA lancerede i 2015 for at studere genforbindelse i det magnetiske felt, der omgiver Jorden, svarer ganske godt til tidligere og nuværende laboratorieresultater af Magnetic Reconnection Experiment (MRX) ved PPPL. Tidligere MRX-forskning afslørede processen, hvorved hurtig genforbindelse sker, og identificerede mængden af ​​magnetisk energi, der omdannes til partikelenergi under processen, som giver anledning til nordlys, soludbrud og geomagnetiske storme, der kan forstyrre mobiltelefontjenesten, mørklægge strømnet og beskadige satellitter i kredsløb.

Retningslinjer for MMS-målinger

De tidligere MRX-resultater tjente som retningslinjer for målinger foretaget af MMS-missionen, som søger at forstå det område, hvor genforbindelsen af ​​feltlinjer i plasma - tilstanden af ​​stof, der består af frie elektroner og atomkerner, eller ioner - finder sted. De seneste PPPL-eksperimenter udvider resultaterne til nye aftaleområder. "På trods af enorme forskelle i størrelsen af ​​genforbindelseslagene i MRX og i rummet, bemærkelsesværdigt ens egenskaber observeres i begge, " sagde Masaaki Yamada, hovedefterforsker på MRX, og hovedforfatter af det nylige papir, der rapporterer resultaterne i 6. december-udgaven af Naturkommunikation .

Den tidligere laboratorieforskning undersøgte "symmetrisk" genforbindelse, hvor tætheden af ​​plasmaerne på hver side af genforbindelsesområderne er nogenlunde den samme. Det nye papir ser på genforbindelse i magnetopausen - det ydre område af magnetosfæren - og i MRX, der er "asymmetrisk, " hvilket betyder, at plasmaet på den ene side af regionen er mindst 10 gange tættere end på den anden. MMS-missionen har fokuseret sin indledende forskning på det asymmetriske aspekt af genforbindelse, da plasmaet i solvinden - de ladede partikler, der strømmer fra solen - er meget tættere end plasmaet i magnetosfæren.

I det nye blad, forskere undersøger, hvad der kaldes "to-fluid" fysik af genforbindelse, der beskriver hver adfærd af ioner og elektroner forskelligt under processen. Sådan fysik dominerer magnetisk genforbindelse i både MRX og magnetosfæriske plasmasystemer, giver mulighed for et hidtil uset niveau af krydsundersøgelse mellem laboratoriemålinger og rumobservationer.

Nøglefund

Følgende er nøgleresultater af to-væsken, asymmetrisk forskning på MRX, der viser sig at være i slående overensstemmelse med målinger af elektron- og ionadfærd fra rumsatellitterne og omdannelsen af ​​magnetisk energi til partikelenergi. Computersimuleringer hjalp med disse resultater:

• Elektroner. Forsøgene viste, at elektronstrømmen flyder vinkelret, og ikke parallelt som engang troede, til magnetfeltet. Denne strømning er nøglen til omdannelsen af ​​magnetisk energi i elektroner, der forekommer i et smalt grænselag kaldet "elektrondiffusionsområdet", hvor hurtig genforbindelse finder sted. Fundet er i overensstemmelse med de seneste MMS-rummålinger og nyt i laboratoriet for asymmetrisk genforbindelse.
• Ioner. Ionstrømmen flyder også vinkelret på magnetfeltet som i elektrontilfældet, og ligeledes er nøglen til omdannelsen af ​​ionmagnetisk energi til partikelenergi. For ioner, denne omdannelse sker i det bredere "ion-diffusionsområde" mellem konvergerende plasmaer og er et tilsvarende nyligt fund om asymmetrisk genforbindelse i laboratorieplasmaer.

MRX-eksperimenterne undersøgte yderligere forskellige aspekter af konvertering i de symmetriske og asymmetriske tilfælde. I symmetrisk genforbindelse, 50 procent af den magnetiske energi blev tidligere fundet at blive omdannet til ioner og elektroner, hvor en tredjedel af omdannelsen påvirker elektronerne og to tredjedele accelererer ionerne. Den samlede konverteringsrate forbliver nogenlunde den samme i det asymmetriske tilfælde, det samme gør forholdet mellem energiomdannelse for ioner og elektroner.