När snabbt rörliga partiklar från solen träffar jordens magnetfält, de sätter igång reaktioner som kan störa kommunikationssatelliter och elnät. Nu, forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har lärt sig nya detaljer om denna process som kan leda till bättre prognoser av detta så kallade rymdväder.

Fynden indikerar hur dessa regelbundna explosioner av snabbt rörliga partiklar från solen interagerar med magnetfälten som omger jorden i en region som kallas magnetosfären. Under dessa solutsläpp, solens och jordens magnetfältslinjer kolliderar. Fältlinjerna bryts och sätts sedan fast igen, frigör enorma mängder energi i en process som kallas magnetisk återkoppling. Den energin sprids genom magnetosfären och in i jordens övre atmosfär.

Rymdfarkoster och datorer ger insikter

Forskarna utvecklade ett datorprogram, eller algoritm, för att automatiskt upptäcka bubbelliknande strukturer som kallas "plasmoider" i data som samlats in från magnetosfären. Programmet analyserade information som samlats in av NASA:s Magnetospheric Multiscale (MMS) uppdrag, en grupp om fyra rymdfarkoster som lanserades 2015 för att studera återkoppling i magnetosfären.

"Exakt hur återkoppling börjar och frigör energi är fortfarande en öppen fråga, sa Kendra Bergstedt, en doktorand i Princeton-programmet i plasmafysik vid PPPL och huvudförfattare till uppsatsen som rapporterar resultaten i Geofysiska forskningsbrev . "Att få en bättre förståelse för den här processen kan hjälpa oss att förutse hur solstormar påverkar oss här på jorden. Vi kan också få bättre insikt om hur återkoppling påverkar fusionsreaktioner." Dessutom, magnetisk återkoppling är relevant för fusionsenergi, kraften som driver solen och stjärnorna, som PPPL studerar i ett försök att duplicera.

Datorprogrammet letar efter mönster i datan och undviker inkonsekvenser som kan uppstå om mönsterjakten hade utförts av individer. "En person kan titta på data och tro att det är en viss plasmoidstruktur medan någon annan kan titta på det och inte håller med, sa Bergstedt.

"Genom att använda en algoritm med strikta kriterier, vi kan säga exakt hur vi kategoriserade varje struktur och varför. Det finns fortfarande en viss fördom – eftersom algoritmen skrevs av en människa med en subjektiv uppfattning om vad som utgjorde en struktur – men genom att använda en algoritm skulle fördomar lättare kunna påpekas och kritiseras."

Fynden kastar nytt ljus över uppkomsten av partikelenergi. "Det pågår en debatt om vilka delar av den återanslutande regionen som bidrar mest till partikelenergiisering och hur, ", sa Bergstedt. "Vi fann att de mindre skala plasmoider som vi studerade i återkopplingsregionen inte gav ett stort bidrag till den totala energin som överfördes från magnetfälten till partiklarna."

Detta fynd var en överraskning. "Vi förväntade oss alla att det mesta av energitillförseln skulle ske i dessa plasmoider, som är fokus för både MMS-uppdraget och PPPL:s Magnetic Reconnection Experiment (MRX), " sa Hantao Ji, fysiker vid PPPL och rådgivare för Bergstedts första års forskningsprojekt, som genererade detta papper. "Dessa resultat motiverade starkt Facility for Laboratory Reconnection Experiment (FLARE), vårt nästa stegsexperiment som är avsett att generera magnetisk återkoppling i dessa nya regimer med många fler strukturer och all turbulens däremellan."

Fynden var anmärkningsvärda eftersom fysiken är så komplex. Medan forskare har gjort betydande framsteg när det gäller att förstå återkoppling, det finns fortfarande mycket att lära. "Och att förstå sambandet mellan turbulens och återuppkoppling är ännu svårare, " sa Jongsoo Yoo, en PPPL-fysiker och medförfattare till uppsatsen. "Kendra gjorde ett bra jobb med att få några nya insikter i processen."

Eftersom hennes analys endast tillämpades på ett begränsat område av magnetosfären, Bergstedt hoppas att algoritmen ska användas för att studera andra regioner. "Det var både en välsignelse och en förbannelse att jag tittade på en så liten region, " sa hon. "Det är en välsignelse eftersom jag får se på det här systemet som en helhet och inte jämföra fenomenen i den här regionen med fenomenen i en annan region."