Solvinden som slår mot jordens magnetosfär på dagen orsakar turbulens, som luft över en vinge. Fysiker vid Rice University har utvecklat nya metoder för att karakterisera hur det påverkar rymdvädret på nattsidan.

Det är sällan tyst där uppe. Solvinden strömmar runt jorden och kryssar ut i natten, men närmare planeten, paket med plasma fastnar i turbulensen och sjunker tillbaka mot jorden. Den turbulensen orsakar stora krusningar i plasman.

Med hjälp av flera rymdfarkoster och beräkningsverktyg som utvecklats under det senaste decenniet, Risforskare ledda av rymdplasmafysikern Frank Toffoletto kan nu bedöma krusningarna, kallade flytvågor, orsakad av turbulensen.

Dessa vågor, eller svängningar, har observerats i det tunna lagret av magnetiskt flöde längs basen av plasmaskivan som svansar bort från planetens nattsida. Risteorin är den första som kvantifierar deras rörelse.

Teorin lägger till ytterligare ett element till Rice Convection Model, en etablerad, algoritm som håller på att skapas i decennier som hjälper forskare att beräkna hur den inre och mellersta magnetosfären kommer att reagera på händelser som solstormar som hotar satelliter, kommunikations- och elnät på jorden.

Den nya tidningen in JGR rymdfysik av Toffoletto, emeritusprofessor Richard Wolf och före detta doktorand Aaron Schutza börjar med att beskriva bubblorna - "bursty bulkflöden" som förutspåddes av Wolf and Rice alumn Duane Pontius 1990 - som faller tillbaka mot jorden genom plasmasvansen.

Funktionellt sett, de är motsatsen till flytande luftbubblor som guppar upp och ner i atmosfären på grund av gravitationen, men plasmabubblorna reagerar på magnetfält istället. Plasmabubblorna tappar det mesta av sitt momentum när de landar vid det teoretiska, filamentliknande gräns mellan det inre plasmaarket och den skyddande plasmasfären.

Det sätter bromsgränsen till en mjuk svängning, som varar bara minuter innan den stabiliseras igen. Toffoletto jämförde rörelsen med en plockad gitarrsträng som snabbt återgår till jämvikt.

"Det snygga namnet för detta är egenläget, " sa han. "Vi försöker ta reda på magnetosfärens lågfrekventa egenmoder. De har inte studerats särskilt mycket, även om de verkar vara förknippade med dynamiska störningar i magnetosfären."

Toffoletto sa att Rice-teamet de senaste åren har upptäckt genom simuleringar att magnetosfären inte alltid reagerar på ett linjärt sätt på den stadiga drivkraften från solvinden.

"Du får alla typer av våglägen i systemet, " han sa, förklarar att sprängda bulkflöden är ett sådant läge. "Varje gång en av dessa saker kommer flygande in, när de träffar det inre området, de når i princip sin jämviktspunkt och svänger med en viss frekvens. Att hitta den frekvensen är vad denna tidning handlar om."

Uppmätt av rymdfarkosten THEMIS, perioderna för dessa vågor är några minuter och amplituderna är ofta större än jorden.

"Att förstå systemets naturliga frekvens och hur det beter sig kan berätta mycket om de fysiska egenskaperna hos plasma på nattsidan, dess transport och hur det kan vara relaterat till norrskenet, ", sa han. "Många av dessa fenomen dyker upp i jonosfären som norrskensstrukturer, och vi förstår inte var dessa strukturer kommer ifrån."

Toffoletto sa att modellerna tyder på att flytande vågor kan spela en roll i bildandet av ringströmmen som består av laddade partiklar som strömmar runt jorden såväl som magnetosfäriska substormar, som alla är kopplade till norrskenet.

Han sa att för inte mer än ett decennium sedan, många magnetosfärsimuleringar "skulle se väldigt enhetliga ut, typ av tråkigt." Rice-gruppen samarbetar med Applied Physics Laboratory för att inkludera Rice Convection Model i en nyutvecklad global magnetosfärkod som heter "Gamera, " uppkallad efter det fiktiva japanska monstret.

"Nu, med sådana modeller med högre upplösning och mycket bättre numeriska metoder, dessa strukturer börjar dyka upp i simuleringarna, ", sa Toffoletto. "Detta papper är en liten pusselbit vi lägger ihop om hur systemet beter sig. Allt detta spelar en stor roll för att förstå hur rymdväder fungerar och hur det i sin tur påverkar tekniken, satelliter och markbaserade system."

Själva Rice Convection Model uppdaterades denna månad i en tidning som leddes av nyligen Rice alumn Jian Yang, nu docent i jord- och rymdvetenskap vid Southern University of Science and Technology, Shenzhen, Kina.