Denna simulering av gränsen visar hur områden med plasma med låg densitet, visas med blått, blanda med områden med plasma med högre densitet, röd, bildar turbulenta tornados av plasma. Kredit:NASA/Takuma Nakamura
Det interplanetära rummet är knappast lugnt. Högenergiladdade partiklar från solen, såväl som från bortom vårt solsystem, susar förbi hela tiden. Dessa kan skada satelliter och äventyra astronauternas hälsa – men lyckligtvis för livet på jorden, planeten är täckt av en skyddande magnetisk bubbla skapad av dess magnetfält. Denna bubbla, kallas magnetosfären, avleder de flesta av de skadliga högenergipartiklarna.
Ändå, några smyger sig igenom - och i framkant för att ta reda på hur detta händer är NASA:s Magnetospheric Multiscale-uppdrag, eller MMS. Nya resultat visar att tornadoliknande virvlar av rymdplasma skapar en gräns som är tumultartad nog att låta partiklar glida in i rymden nära jorden.
MMS, lanserades 2015, använder fyra identiska rymdfarkoster som flyger i en pyramidformation för att ta en tredimensionell titt på den magnetiska miljön runt jorden. Uppdraget studerar hur partiklar överförs till magnetosfären genom att fokusera på orsakerna och effekterna av magnetisk återkoppling - en explosiv händelse där magnetfältslinjer korsar varandra, skickar elektroner och joner från solvinden in i magnetosfären.
Genom att kombinera observationer från MMS med nya 3D-datorsimuleringar, forskare har för första gången kunnat undersöka den småskaliga fysiken av vad som händer vid vår magnetosfärs gränser. Resultaten, nyligen publicerad i en tidning i Naturkommunikation , är nyckeln för att förstå hur solvinden ibland kommer in i jordens magnetosfär, där den kan störa satelliter och GPS-kommunikation.
Kelvin-Helmholtz vinkar, med sin klassiska surfares vågform, finns i naturen varhelst två vätskor möts, som i dessa moln. Kredit:Danny Ratcliffe
Inne i magnetosfären, densiteten hos rymdplasman – laddade partiklar, som elektroner och joner - är mycket lägre än plasman utanför, där solvinden råder. Gränsen, kallad magnetopaus, blir instabil när de två olika täthetsområdena rör sig i olika hastigheter. Jätte virvlar, kallade Kelvin Helmholtz vågor, bildas längs kanten som rasande havsvågor. Den en gång så släta gränsen blir trasslig och klämd, bildar plasmatornados, som fungerar som hyttventiler för transport av laddade partiklar från solvinden till magnetosfären.
Kelvin Helmholtz-vågor finns över hela universum varhelst två material med olika densitet rör sig förbi varandra. De kan ses i molnformationer runt jorden och har till och med observerats i andra planetariska atmosfärer i vårt solsystem.
Genom att använda storskaliga datorsimuleringar av denna blandning, utförs på Oak Ridge National Laboratory i Oak Ridge, Tennessee, på superdatorn Titan, och jämföra dem med observationer som MMS gjorde när de passerade en sådan region i rymden, forskare kunde visa att tromborna var extremt effektiva på att transportera laddade partiklar - mycket mer än man tidigare trott. Jämförelserna mellan simuleringarna och observationerna gjorde det möjligt för forskarna att mäta de exakta dimensionerna på tornadon. De fann att dessa tromber var både stora och små – de når 9, 300 miles skapade mindre tornados 60 till 90 miles breda och över 125 miles långa.
MMS flyttade nyligen in i en ny bana, flyger på andra sidan jorden, bort från solen. Även här, den kommer att fortsätta att studera magnetisk återkoppling, men fokusera istället på hur energi och partiklar interagerar inom jordens magnetosfär, i den långa släpande magnetsvansen. Att förstå sådana grundläggande processer i jordens grannskap hjälper till att förbättra vår situationsmedvetenhet om rymden som omger oss – viktig information när den blir allt mer fylld av satelliter och kommunikationssystem som vi är beroende av.
