Fynd som nyligen publicerats av en rymdforskare från Southwest Research Institute (SwRI) kastar nytt ljus på att förutsäga termodynamiken för soluppblåsningar och andra "rymdväder" -händelser som involverar heta, snabbt rörliga plasma.

Vetenskapen om statistisk mekanik är en av pelarna för att förstå det termodynamiska beteendet hos fenomen med ett stort antal partiklar, som gaser. Klassiska statistiska metoder har stått tidstestet för att beskriva jordbundna system, som den relativt täta blandningen av gaser som utgör vår luft, förklarar Dr George Livadiotis, en senior forskare vid SwRI:s rymdvetenskapliga och tekniska avdelning.

Vid termisk jämvikt, där värmeenergi överförs lika mellan gaspartiklar, deras fördelning faller i ett förutsägbart förhållande-massor av låghastighetspartiklar till bara några få snabba. Partiklarna rör sig kaotiskt, kolliderar ofta med varandra. En statistisk ekvation, känd som en Maxwell-Boltzmann eller Maxwellian distribution, exakt kännetecknar hur denna blandning av partiklar med olika hastigheter kommer att fördelas på jorden.

Dock, Livadiotis säger, saker är annorlunda i rymden, som faktiskt inte är tom utan fylld med plasma, materiens så kallade fjärde tillstånd. Plasma består av elektriskt laddade partiklar - det är varken gas, flytande eller fast, även om det ofta beter sig som en gas.

Rymdplasma som solvinden som strömmar utåt från solen har ett högre förhållande av partiklar som rör sig snabbt. Till skillnad från gaser på jorden, de är "korrelerade, "rör sig mestadels i samma riktning så att de upplever färre kollisioner med varandra. För denna uppsättning omständigheter, Maxwelliansk distributionsmodell fungerar inte längre bra. Livadiotis har bekräftat att en separat statistisk ekvation, kallas "Kappa, "är mer tillämplig för rymdfenomen.

Kappa är den matematiska ekvationen som beskriver fördelningen av partikelhastigheter vid termisk jämvikt när det finns korrelationer mellan partikelhastigheter, som är typiskt för kollisionsfria rymdpartikelsystem.

"Kappa-ekvationen beräknar fördelningen av partikelhastigheter vid termisk jämvikt när strömmar av snabbt rörliga partiklar rör sig i massor, "sa han." Det är den typiska situationen för partikelsystem som rymdplasma. "

Kappa förutspår inte bara rymdplasmapartikelfördelningar bättre, men också kännetecknar deras termodynamiska beteende bättre än Maxwellian -modellen, Säger Livadiotis. Detta relaterar till vad som händer när extremt varm solvindplasma kraschar in i jordens skyddande filt av magnetiskt laddade partiklar, känd som magnetosfären.

"Kappa -fördelningar tillät forskare att göra de första temperaturmätningarna av den yttre heliosfären, "Livadiotis säger." Med Kappa, vi kan dramatiskt förbättra vår förståelse av rymdämnes natur och egenskaper, om det är solvinden, bloss och koronala massutstötningar, eller sällsynta och mer extrema fenomen som kosmiska strålar. "

Hans papper, "Kappodistributioners termodynamiska ursprung, "publiceras den 18 juni, 2018, upplaga av EPL , en brevjournal som utforskar fysikens gränser.