Caltech tillämpade fysiker har experimentellt simulerat solens magnetfält för att skapa en realistisk koronal loop i ett labb.
Koronalslingor är bågar av plasma som bryter ut från solens yta efter magnetfältslinjer. Eftersom plasma är en joniserad gas – dvs. en gas av fritt strömmande elektroner och joner – den är en utmärkt ledare av elektricitet. Som sådan, solkoronaslingor styrs och formas av solens magnetfält.
Jordens magnetfält fungerar som en sköld som skyddar människor från de starka röntgenstrålar och energisatta partiklar som sänds ut av utbrotten, men kommunikationssatelliter kretsar utanför detta sköldfält och förblir därför sårbara. I mars 1989 en särskilt stor flare släppte lös en explosion av laddade partiklar som tillfälligt slog ut en av National Oceanic and Atmospheric Administrations geostationära operativa miljösatelliter som övervakar jordens väder; orsakade ett sensorproblem på rymdfärjan Discovery; och utlösta strömbrytare på Hydro-Québecs elnät, som orsakade ett stort strömavbrott i provinsen Quebec, Kanada, i nio timmar.
"Denna potential att orsaka förödelse - som bara ökar ju mer mänskligheten förlitar sig på satelliter för kommunikation, väderprognos, och att hålla reda på resurser – gör det mycket viktigt att förstå hur dessa solhändelser fungerar, säger Paul Bellan, professor i tillämpad fysik vid avdelningen för teknik och tillämpad vetenskap.
Även om simulerade koronala loopar har skapats i laboratorier tidigare, detta senaste försök inkorporerade ett magnetiskt bandfält som binder slingan till solens yta. Tänk på ett bandfält som metallbågarna på utsidan av en trätunna. Medan spjälorna på pipan ständigt är under tryck och trycker utåt, metallbågarna sitter vinkelrätt mot lamellerna och håller ihop pipan.
Styrkan hos detta bandningsfält minskar med avståndet från solen. Detta innebär att när man är nära solytan, öglorna spänns fast hårt av bandningsfältet men kan sedan bryta loss och sprängas iväg om de stiger till en viss höjd där bandningsfältet är svagare. Dessa utbrott är kända som solutbrott och coronal mass ejections (CME).
CME är repliknande urladdningar av het plasma som accelererar bort från solens yta med hastigheter på mer än en miljon miles per timme. Dessa utbrott kan frigöra energi motsvarande 1 miljard megaton TNT, vilket gör dem till de potentiellt kraftigaste explosionerna i solsystemet. (CME ska inte förväxlas med solflammor, som ofta inträffar som en del av samma händelse. Solflammor är utbrott av ljus och energi, medan CME är sprängningar av partiklar inbäddade i ett magnetfält.)
De simulerade slingorna och bandningsfälten ger ny insikt om hur energi lagras i solkoronan och sedan släpps ut plötsligt. Bellan arbetade med Caltech-studenten Bao Ha (MS '10, PhD '16) för att skapa bandningsfältet och koronalöglan. Resultaten av deras experiment publicerades i tidskriften Geofysiska forskningsbrev den 17 september, 2016.
Bellan och hans kollegor har arbetat med simuleringar i laboratorieskala av solkoronafenomen i två decennier. I labbet, teamet genererar rep av plasma i en 1,5 meter lång vakuumkammare.
"Att studera koronala massutkastningar är utmanande, eftersom människor inte vet hur och när solen kommer att få utbrott. Men laboratorieexperiment tillåter kontroll av utbrottsparametrar och möjliggör systematiska undersökningar av utbrottsdynamiken, säger Ha, huvudförfattare till GRL-tidningen. "Medan experiment med samma utbrottsparametrar är lätta att reproducera, loopdynamiken varierar beroende på konfigurationen av bandningsmagnetfältet."
Att simulera ett bandningsfält med styrka som bleknar över den relativt korta längden av vakuumkammaren visade sig vara svårt, säger Bellan. För att få det att fungera, Ha och Bellan var tvungna att konstruera elektromagnetiska spolar som producerar bandningsfältet inuti själva kammaren.
Efter mer än tre år av design, tillverkning, och testning, Bellan och Ha kunde skapa ett bandningsfält som toppar i styrka cirka 10 centimeter från där plasmaslingan bildas, dör sedan av en bit längre ner i vakuumkammaren.
Arrangemanget tillåter Bellan och Ha att se plasmaslingan långsamt växa i storlek, nå en kritisk punkt och skjut iväg till den bortre änden av kammaren.
Nästa, Bellan planerar att mäta magnetfältet inuti den utbrytande slingan och även studera de vågor som sänds ut när plasma bryts isär.
