Ett dipolmagnetfält, skapat av en ringström, är den mest grundläggande typen av magnetfält som finns både i laboratorier och i rymden. Planetariska magnetosfärer, såsom Jupiters, begränsar effektivt plasma.
RT-1-projektet syftar till att lära av naturen och skapa ett högpresterande plasma av magnetosfärtyp för att realisera avancerad fusionsenergi. Samtidigt erbjuder den artificiella magnetosfären ett sätt att experimentellt förstå mekanismerna för naturfenomen i en förenklad och kontrollerad miljö.
Ring Trap-1 (RT-1) är en experimentell apparat belägen vid University of Tokyo. Genom att använda högtemperatur supraledande teknologi, svävas en dipolfältspole magnetiskt, vilket gör det möjligt att utföra plasmaexperiment i en miljö nära den planetariska magnetosfären.
Chorusemissionen i whistlerläge, observerad i rymden som omger jorden, känd som "Geospace", är ett viktigt fenomen som är relaterat till norrsken och rymdväder. Köremissionen har aktivt undersökts främst genom observationer av rymdskepp, teoretiska studier och numeriska simuleringar.
Medan rymdfarkoster är kraftfulla verktyg för att studera den faktiska rymdmiljön, är den planetariska magnetosfären ett enormt och komplext system som är svårt att förstå i sin helhet. Dessutom är det inte lätt för människor att manipulera rymdmiljön.
Tvärtom tillåter laboratoriemiljöer oss att skapa ett förenklat forskningsobjekt som utvinns från naturens komplexa egenskaper i en kontrollerad miljö. Därför förväntas experimentella studier spela en kompletterande roll i observationen och teorin för att förstå köremissioner. Det är dock inte okomplicerat att skapa en magnetosfärisk miljö i laboratoriet. Laboratorieexperiment på köremissioner i ett magnetosfäriskt dipolmagnetfält har hittills aldrig utförts.
En forskargrupp från National Institute for Fusion Science i Toki, Japan, och Graduate School of Frontier Sciences vid University of Tokyo i Kashiwa, Japan, har framgångsrikt genomfört laboratoriestudier på whistlerläges köremission med hjälp av RT-1-enheten. Denna "konstgjorda magnetosfär" har en magnetiskt leviterad supraledande spole för att skapa ett dipolmagnetfält av planetarisk magnetosfärtyp i laboratoriet.
Med hjälp av supraledande teknik för hög temperatur svävar en 110 kg spole magnetiskt i ett vakuumkärl, och det genererade magnetfältet begränsar plasman. Denna unika installation tillåter drift utan några mekaniska stödstrukturer till spolen, vilket gör det möjligt att generera plasma i en miljö som liknar den för en planetarisk magnetosfär, även inom en markbaserad anläggning.
I den här studien fyllde forskargruppen vakuumkärlet i RT-1 med vätgas och injicerade mikrovågor för att skapa högpresterande väteplasma, främst genom att värma elektroner.
I experimenten genererades plasma i olika tillstånd och undersökningar av generering av vågor gjordes. Följaktligen observerades en spontan produktion av whistler-vågens köremission när plasman innehöll ett avsevärt förhållande av högtemperaturelektroner.
Mätningar gjordes också av styrkan och frekvensen av köremissionen från plasman, med fokus på dess densitet och högtemperaturelektronernas tillstånd.
Resultaten, publicerade i Nature Communications , avslöjade att genereringen av en köremission drivs av en ökning av högtemperaturelektroner, ansvariga för plasmatrycket. Dessutom hade en ökning av den totala plasmadensiteten effekten av att undertrycka genereringen av chorus-emission.
Genom denna studie klargjordes det att chorus emission är ett universellt fenomen som förekommer i plasma med högtemperaturelektroner i ett enkelt dipolmagnetfält. Egenskaper som avslöjades i experimentet, inklusive utseendeförhållanden och vågutbredning, kan förbättra vår förståelse av koremissionen och relaterade fenomen som observeras i georymden.
Elektromagnetiska vågor av en köremission har potential att ytterligare accelerera heta elektroner till högre energitillstånd, vilket leder till bildandet av norrsken och satellitfel. Dessa elektromagnetiska vågor, tillsammans med energirika partiklar, spelar en avgörande roll i rymdväderfenomen.
I georymden, när explosiva händelser (flammor) inträffar på solytan, ger de upphov till magnetiska stormar, vilket orsakar stora fluktuationer i det elektromagnetiska fältet och genererar stora mängder energipartiklar. Detta orsakar inte bara satellitfel och påverkar ozonskiktet utan är också känt för att störa ström- och kommunikationsnätverk på marken.
Med expansionen av mänsklig aktivitet idag har förståelsen av rymdväderfenomen blivit allt viktigare. Men många mekanismer och fenomen på detta område är fortfarande olösta. Resultatet av denna studie förväntas bidra till en bättre förståelse av mekanismerna bakom de olika rymdväderfenomenen.
Inom området fusionsplasma, som syftar till att i slutändan lösa energiproblem, är förlusten av partiklar och strukturbildning på grund av interaktion med vågor en av de centrala forskningsfrågorna. En exakt förståelse av de komplexa interaktionerna mellan spontant exciterade vågor och plasma är avgörande för att uppnå fusion.
Vågfenomen med frekvensvariationer har i stor utsträckning observerats i högtemperaturplasma för fusion, vilket indikerar förekomsten av en delad fysisk mekanism med köremissionen.
Resultaten från denna studie representerar ett steg framåt för att förstå de vanliga fysiska fenomen som finns i både fusions- och rymdplasma. Det förväntas att framtida forskning kommer att utvecklas ytterligare med ökat samarbete mellan dessa två områden.>
Whistlervågor är en av de fundamentala vågorna som utbreder sig i plasma. I körutsläpp som observerats runt georymden och Jupiter inträffar fluktuationshändelser med frekvensvariationer som liknar fågelsång upprepade gånger. De tros vara nära besläktade med norrsken och rymdväderfenomen, såsom produktion och transport av högenergielektroner.
Mer information: Haruhiko Saitoh et al, Experimentell studie om köremission i en artificiell magnetosfär, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-44977-x
Tillhandahålls av National Institutes of Natural Sciences
