För första gången, forskare har uppskattat hur mycket energi som överförs från stora till små vågar inom magnethuven, gränsområdet mellan solvinden och magnetbubblan som skyddar vår planet. Baserat på data som samlats in av ESA:s Cluster och NASA:s THEMIS -uppdrag under flera år, studien visade att turbulens är nyckeln, vilket gör denna process hundra gånger mer effektiv än i solvinden.

Planeterna i solsystemet, inklusive vår jord, är badade i solvinden, ett supersoniskt flöde av mycket energisk, laddade partiklar som släpps obevekligt av solen. Vår planet och några andra sticker ut i denna genomträngande partikelström:dessa är planeterna som har ett eget magnetfält, och representerar så ett hinder för solvindens svepande kraft.

Det är samspelet mellan jordens magnetfält och solvinden som skapar magnetosfärens invecklade struktur, en skyddsbubbla som skyddar vår planet från de allra flesta solvindpartiklar.

Än så länge, forskare har uppnått en ganska god förståelse för de fysiska processer som sker i solvindens plasma och i magnetosfären. Dock, många viktiga aspekter saknas fortfarande när det gäller samspelet mellan dessa två miljöer och om den mycket turbulenta regionen som skiljer dem åt, känd som magnetosheath, där man misstänker att det mesta av den intressanta åtgärden sker.

"För att lära sig hur energi överförs från solvinden till magnetosfären, vi måste förstå vad som händer i magnetskyddet, det ”gråa området” mellan dem, "säger Lina Zafer Hadid, från Institutet för rymdfysik i Uppsala, Sverige.

Lina är huvudförfattare till en ny studie som kvantifierar, för första gången, turbulensens roll i magnethöljet. Resultaten publiceras idag i Fysiska granskningsbrev .

"I solvinden, vi vet att turbulens bidrar till energispridning från stora skalor på hundratusentals kilometer till mindre skalor på en kilometer, där plasmapartiklar värms upp och accelereras till högre energier, "förklarar medförfattaren Fouad Sahraoui från laboratoriet för plasmafysik i Frankrike.

"Vi misstänkte att en liknande mekanism måste spela även i magnetskyddet, men vi kunde aldrig testa det förrän nu, " han lägger till.

Magnetosheathplasma är mer turbulent, hem till en större omfattning av densitetsfluktuationer och kan komprimeras i mycket högre grad än solvinden. Som sådan, det är väsentligt mer komplext, och forskare har bara under de senaste åren utvecklat det teoretiska ramverket för att studera de fysiska processer som äger rum i en sådan miljö.

Lina, Fouad och deras medarbetare kammade igenom en enorm mängd data som samlats in mellan 2007 och 2011 av de fyra rymdfarkosterna i ESA:s kluster och två av de fem rymdfarkosterna i NASA:s THEMIS -uppdrag, som flyger i form genom jordens magnetiska miljö.

När de använde de nyligen utvecklade teoretiska verktygen på sitt dataprov, de hade en stor överraskning.

"Vi fann att densitet och magnetiska fluktuationer orsakade av turbulens inom magnethuven förstärker hastigheten med vilken energi kaskader från stora till små skalor minst hundra gånger med avseende på vad som observeras i solvinden, "förklarar Lina.

Den nya studien indikerar att cirka 10-13 J energi överförs per kubikmeter varje sekund i denna region av jordens magnetiska miljö.

"Vi förväntade oss att komprimerbar turbulens skulle påverka energiöverföringen i magnetosheathplasma, men inte att det skulle vara så viktigt, "tillägger hon.

Dessutom, forskarna kunde härleda en empirisk korrelation som kopplar den hastighet med vilken energi försvinner i magnetosheden med den fjärde kraften i en annan mängd som används för att studera vätskornas rörelse, det så kallade turbulenta Mach-numret. Uppkallad efter den österrikiska fysikern Ernst Mach, det kvantifierar fluktuationshastigheten i ett flöde med avseende på ljudets hastighet i den vätskan, indikerar om ett flöde är subsoniskt eller supersoniskt.

Även om energiöverföringshastigheten är svår att bestämma om man inte använder rymdprober som tar in situ -mätningar, som rymdfarkosten i klustret som samplar plasma runt jorden, Mach -antalet kan lättare uppskattas med hjälp av fjärrobservationer av en mängd olika astrofysiska plasma bortom vår planets rike.

"Om denna empiriska relation visar sig vara universell, det kommer att vara oerhört användbart att utforska kosmisk plasma som inte kan sonderas direkt med rymdfarkoster, som det interstellära mediet som genomsyrar vårt Vintergatan och andra galaxer, säger Fouad.

Forskarna ser fram emot att jämföra sina resultat med mätningar av plasma som omger andra solsystemplaneter med ett inneboende magnetfält, till exempel med NASA:s Juno -uppdrag, för närvarande på Jupiter, och ESA:s framtida Jupiter Icy Moons Explorer, och även det gemensamma ESA-JAXA BepiColombo-uppdraget till Merkurius som är planerat att lanseras senare i år.

"Det är mycket spännande att en studie baserad på flera års klusterdata har funnit nyckeln till att ta itu med en stor, lång olöst fråga i plasmafysik, "säger Philippe Escoubet, Cluster Project Scientist på ESA.