Ny forskning uddyber forståelsen af ​​Jordens interaktion med solvinden

Når jorden kredser om solen, den pløjer gennem en strøm af hurtigt bevægende partikler, der kan forstyrre satellitter og globale positioneringssystemer. Nu, et team af forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) og Princeton University har reproduceret en proces, der finder sted i rummet for at uddybe forståelsen af, hvad der sker, når Jorden møder denne solvind.

Holdet brugte computersimuleringer til at modellere bevægelsen af ​​en plasmastråle, den ladede tilstand af stof, der består af elektroner og atomkerner, der udgør alle stjernerne på himlen, inklusive vores sol. Mange kosmiske begivenheder kan producere plasmastråler, fra relativt små stjernebøvser til gigantiske stjerneeksplosioner kendt som supernovaer. Når hurtigt bevægende plasmastråler passerer gennem det langsommere plasma, der findes i rummets tomrum, det skaber, hvad der er kendt som en kollisionsfri chokbølge.

Disse stød opstår også, når Jorden bevæger sig gennem solvinden og kan påvirke, hvordan vinden hvirvler ind i og omkring Jordens magnetosfære, det beskyttende magnetiske skjold, der strækker sig ud i rummet. Forståelse af plasmachokbølger kan hjælpe forskerne med at forudsige det rumvejr, der udvikler sig, når solvinden hvirvles ind i magnetosfæren, og gøre det muligt for forskerne at beskytte satellitter, der gør det muligt for mennesker at kommunikere over hele kloden.

Simuleringerne afslørede adskillige afslørende tegn, der indikerer, hvornår et stød dannes, inklusive stødets funktioner, de tre stadier af chokkets dannelse, og fænomener, der kunne forveksles med et chok. "Ved at være i stand til at skelne et chok fra andre fænomener, videnskabsmænd kan føle sig sikre på, at det, de ser i et eksperiment, er det, de ønsker at studere i rummet, " sagde Derek Schaeffer, en associeret forsker ved Princeton University Department of Astrophysics, der ledede PPPL-forskerholdet. Resultaterne blev rapporteret i et papir offentliggjort i Plasmas fysik som fulgte op på tidligere forskning rapporteret her og her.

De plasmachok, der opstår i rummet, som dem skabt af Jorden, der rejser mod solvinden, ligner chokbølgerne skabt i Jordens atmosfære af supersoniske jetfly. I begge tilfælde, hurtigt bevægende materiale støder på langsomt eller stationært materiale og skal hurtigt ændre dets hastighed, skabe et område med hvirvler og hvirvler og turbulens.

Men i rummet, interaktionerne mellem hurtige og langsomme plasmapartikler sker uden at partiklerne rører hinanden. "Der må være noget andet, der driver denne chokformation, ligesom plasmapartiklerne elektrisk tiltrækker eller frastøder hinanden, " sagde Schaeffer. "Under alle omstændigheder, mekanismen er ikke fuldt ud forstået."

For at øge deres forståelse, fysikere udfører plasmaeksperimenter i laboratorier for at overvåge forhold nøje og måle dem præcist. I modsætning, målinger taget af rumfartøjer kan ikke let gentages og prøver kun et lille område af plasma. Computersimuleringer hjælper derefter fysikerne med at fortolke deres laboratoriedata.

I dag, de fleste laboratorieplasmachok dannes ved hjælp af en mekanisme kendt som et plasmastempel. For at skabe stemplet, videnskabsmænd skinner med laser på et lille mål. Laseren får små mængder af målets overflade til at varme op, blive et plasma, og bevæger sig udad gennem omgivelserne, langsommere plasma.

Schaeffer og kolleger producerede deres simulering ved at modellere denne proces. "Tænk på en kampesten midt i en hurtig strøm, " sagde Schaeffer. "Vandet vil komme helt op til forsiden af ​​kampestenen, men når det ikke helt. Overgangsområdet mellem hurtig bevægelse og nul [stående] bevægelse er chokket."

De simulerede resultater vil hjælpe fysikere med at skelne en astrofysisk plasmachokbølge fra andre forhold, der opstår i laboratorieforsøg. "Under laserplasmaeksperimenter, du kan observere masser af opvarmning og kompression og tror, ​​de er tegn på et stød, " sagde Schaeffer. "Men vi ved ikke nok om de begyndende stadier af et chok til at vide fra teori alene. Til denne slags lasereksperimenter, vi skal finde ud af, hvordan vi kan kende forskel på et stød og blot udvidelsen af ​​det laserdrevne plasma."

I fremtiden, forskerne sigter mod at gøre simuleringerne mere realistiske ved at tilføje flere detaljer og gøre plasmadensiteten og temperaturen mindre ensartede. De vil også gerne køre eksperimenter for at afgøre, om de fænomener, som simuleringerne forudsiger, faktisk kan forekomme i et fysisk apparat. "Vi vil gerne prøve de ideer, vi taler om i avisen, " siger Schaeffer.