När jorden kretsar runt solen i överljudshastighet, den skär en väg genom solvinden. Denna snabba ström av laddade partiklar, eller plasma, skjutas upp från solens yttre lager skulle bombardera jordens atmosfär om inte för att skydda jordens magnetfält.

Precis som en motorbåt skapar en bågformad våg framför sig när skrovet trycker sig genom vattnet, Jorden skapar en liknande effekt - kallad en bågchock - när den trycker igenom solvinden. Forskare har försökt förklara hur jordens magnetfält kan skjuta undan den kraftfulla solvinden utan att släppa lös katastrof. De har vetat en del av svaret länge:bågchocken omvandlar energi från solvinden till värme lagrad i elektroner och joner. Men nu, forskare har viktiga nya ledtrådar om hur denna process går till.

En studie ledd av University of Maryland beskriver de första observationerna av processen för elektronuppvärmning i jordens bogchock. Forskarna fann att när elektronerna i solvinden stöter på bågchocken, de accelererar momentant till en så hög hastighet att elektronströmmen blir instabil och bryts ner. Denna nedbrytningsprocess berövar elektronerna deras höga hastighet och omvandlar energin till värme.

Resultaten tillför en viktig ny dimension till forskarnas förståelse av jordens magnetfält och dess förmåga att skydda planeten från skadliga partiklar och strålning. Forskningsdokumentet publicerades i tidskriften Fysiska granskningsbrev den 31 maj, 2018.

"Om du skulle stå på en bergstopp, du kan bli vält omkull av en snabb vind, " förklarade Li-Jen Chen, huvudförfattare till studien och en associerad forskare vid UMD Department of Astronomy. "Lyckligtvis, när solvinden kraschar in i jordens magnetfält, bogstöten skyddar oss genom att bromsa denna vind och ändra den till en fin, varm bris. Vi har nu en bättre uppfattning om hur detta händer."

Forskarna fick sina data från NASA:s Magnetospheric Multiscale (MMS) uppdrag. MMS-uppdraget består av fyra identiska satelliter som bär instrument för att studera fysiken i jordens magnetfält när det interagerar med solvinden. Satelliterna fick tredimensionella mätningar var 30:e millisekund, vilket resulterar i hundratals mätningar inom bogchockskiktet. Dessa högfrekventa, exakta mätningar från MMS-uppdraget var avgörande för studien.

"De extremt snabba mätningarna från MMS gjorde att vi äntligen kunde se elektronuppvärmningsprocessen i det tunna chockskiktet, sa Thomas Moore, en senior projektforskare vid NASA:s Goddard Space Flight Center och en medförfattare till studien. "Det här är banbrytande eftersom vi nu har förmågan att identifiera mekanismen som fungerar, istället för att bara observera dess konsekvenser."

Forskare har sedan en tid tillbaka vetat att bågchocken på något sätt kan omvandla energin i elektroner till värme utan några direkta kollisioner mellan elektronerna. Det betyder att friktion - ett vanligt sätt att generera värme här på jorden - inte är ansvarig för elektronuppvärmning i bogchocken.

"De nya observationerna av elektronacceleration vid bogchocken skriver om den nuvarande förståelsen av elektronuppvärmning, sa Chen, som också är forskare vid NASA:s Goddard Space Flight Center. "Till exempel, forskare förväntade sig inte att bågchocken kunde accelerera solvindens elektronström till de hastigheter som vi observerade."

I en tidigare fas av MMS-uppdraget, satelliterna kretsade vanligtvis mycket närmare jorden, så de missade oftast bågchocken. Dock, ett oväntat utbrott av solvind drev bågchocken närmare jorden, gör det möjligt för satelliterna att fånga sällsynta och informativa data.

Ta vara på denna fördel, forskarna observerade solvindens elektronström innan, under och efter mötet med bågchocken. Elektronströmmen som accelererades av chocken tog bara 90 millisekunder att destabilisera och helt bryta ner.

"Studien av elektronuppvärmning är viktig inte bara för att förstå hur bågchocken skyddar jorden, men potentiellt för satelliter, rymdresor och kanske utforska andra planeter i framtiden, " sa Chen.

Genom att ge den första tydliga bilden av vad elektronerna vid bogchocken gör, Chen och hennes medarbetare hoppas kunna uppmuntra andra forskare att utföra datorsimuleringar, ytterligare rymdobservationer och laboratorieexperiment om elektronuppvärmning. Chen ser också fram emot att fördjupa sig ytterligare i mekanismerna genom vilka bågchocken accelererar elektronströmmen.

"Vanligtvis, forskare har simuleringar eller teorier för att förutsäga vad som händer och sedan designar de experiment för att mäta det, " sa Chen. "Den här gången är det tvärtom:mätningen kom först. Simuleringen och teorin måste komma ikapp."