Varje dag, solen skjuter ut stora mängder av en het partikelsoppa känd som plasma mot jorden där den kan störa telekommunikationssatelliter och skada elnät. Nu, forskare vid US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) och Princeton University's Department of Astrophysical Sciences har gjort en upptäckt som kan leda till bättre förutsägelser om detta rymdväder och hjälpa till att skydda känslig infrastruktur.

Upptäckten kommer från en ny datormodell som förutsäger beteendet hos plasman i området ovanför solens yta som kallas solkorona. Modellen var ursprungligen inspirerad av en liknande modell som beskriver beteendet hos plasman som driver fusionsreaktioner i munkformade fusionsanläggningar som kallas tokamaks.

Fusion, kraften som driver solen och stjärnorna, kombinerar lätta element i form av plasma - det varma, laddat tillstånd av materia som består av fria elektroner och atomkärnor – som genererar enorma mängder energi. Forskare försöker replikera fusion på jorden för en praktiskt taget outtömlig tillgång på kraft för att generera elektricitet.

Princeton-forskarna gjorde sina fynd när de studerade sammankopplade magnetfält som går in i och ut ur solen. Under vissa förutsättningar, slingorna kan få heta partiklar att bryta ut från solens yta i enorma rapar som kallas koronala massutstötningar. Dessa partiklar kan så småningom träffa magnetfältet som omger jorden och orsaka norrsken, samt störa el- och kommunikationssystem.

"Vi måste förstå orsakerna till dessa utbrott för att förutsäga rymdväder, sa Andrew Alt, en doktorand i Princeton-programmet i plasmafysik vid PPPL och huvudförfattare till uppsatsen som rapporterar resultaten i Astrofysisk tidskrift .

Modellen bygger på en ny matematisk metod som innehåller en ny insikt som Alt och medarbetare upptäckte om vad som orsakar instabiliteten. Forskarna fann att en typ av jiggling känd som "torus-instabilitet" kan få repade magnetfält att lossna från solens yta, utlöser en flod av plasma.

Torusinstabiliteten lossar en del av krafterna som håller repen bundna. När väl dessa krafter försvagas, en annan kraft gör att repen expanderar och lyfts ytterligare från solytan. "Vår modells förmåga att exakt förutsäga beteendet hos magnetiska rep indikerar att vår metod i slutändan skulle kunna användas för att förbättra förutsägelser av rymdväder, " sa Alt.

Forskarna har också utvecklat ett sätt att mer exakt översätta laboratorieresultat till förhållanden på solen. Tidigare modeller har förlitat sig på antaganden som gjorde beräkningar lättare men som inte alltid simulerade plasma exakt. Den nya tekniken bygger endast på rådata. "Antagandena inbyggda i tidigare modeller tar bort viktiga fysiska effekter som vi vill överväga, "Alt sa. "Utan dessa antaganden, vi kan göra mer exakta förutsägelser."

För att genomföra sin forskning, forskarna skapade magnetiska flödesrep inuti PPPL:s Magnetic Reconnection Experiment (MRX), en tunnformad maskin utformad för att studera sammankomsten och explosiv brytning av magnetfältslinjerna i plasma. Men flusslinor skapade i labbet beter sig annorlunda än rep på solen, eftersom, till exempel, flusslinorna i labbet måste hållas av ett metallkärl.

Forskarna gjorde ändringar i sina matematiska verktyg för att ta hänsyn till dessa skillnader, säkerställa att resultat från MRX kan översättas till solen. "Det finns förhållanden på solen som vi inte kan härma i laboratoriet, " sa PPPL fysiker Hantao Ji, en professor vid Princeton University som ger råd till Alt och bidragit till forskningen. "Så, vi justerar våra ekvationer för att ta hänsyn till frånvaron eller närvaron av vissa fysiska egenskaper. Vi måste se till att vår forskning jämför äpplen med äpplen så att våra resultat blir korrekta."

Upptäckten av det skakande plasmabeteendet kan också leda till effektivare generering av fusionsdriven elektricitet. Magnetisk återkoppling och relaterat plasmabeteende förekommer i tokamaks såväl som på solen, så all insikt i dessa processer kan hjälpa forskare att kontrollera dem i framtiden.

Stöd för denna forskning kom från DOE, National Aeronautics and Space Administration, och den tyska forskningsstiftelsen. Forskningspartner inkluderar Princeton University, Sandia National Laboratories, universitetet i Potsdam, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, och den bulgariska vetenskapsakademin.

PPPL, på Princeton Universitys Forrestal Campus i Plainsboro, N.J., ägnar sig åt att skapa ny kunskap om plasmans fysik - ultrahet, laddade gaser – och att utveckla praktiska lösningar för att skapa fusionsenergi. Laboratoriet leds av universitetet för U.S. Department of Energy's Office of Science, som är den enskilt största anhängaren av grundforskning inom fysikaliska vetenskaper i USA och arbetar för att ta itu med några av vår tids mest angelägna utmaningar. För mer information, besök energy.gov/science