Solflammor och koronala massutstötningar på solen orsakas av "magnetisk återkoppling" - när magnetfältslinjer i motsatta riktningar smälter samman, återförenas och bryts isär, vilket skapar explosioner som frigör enorma mängder energi. Kredit:NASA Conceptual Image Laboratory.
När magnetfältslinjer i motsatta riktningar smälter samman skapar de explosioner som kan frigöra enorma mängder energi. På solen orsakar sammanslagning av motsatta fältlinjer solflammor och koronala massutkastningar, gigantiska energiutbrott som kan resa till jorden inom en dag.
Medan den allmänna mekaniken för magnetisk återkoppling är känd, har forskare kämpat i över ett halvt sekel för att förklara den exakta fysiken bakom den snabba energifrisättning som äger rum.
En ny Dartmouth-studie publicerad i Communications Physics ger den första teoretiska beskrivningen av hur ett fenomen känt som "Hall-effekten" bestämmer effektiviteten av magnetisk återkoppling.
"Hastigheten med vilken magnetfältslinjer återansluts är av extrem betydelse för processer i rymden som kan påverka jorden", säger Yi-Hsin Liu, biträdande professor i fysik och astronomi vid Dartmouth. "Efter årtionden av ansträngningar har vi nu en fullständig teori för att ta itu med detta långvariga problem."
Magnetisk återkoppling finns i hela naturen i plasma, det fjärde tillståndet av materia som fyller större delen av det synliga universum. Återanslutningen sker när magnetfältslinjer i motsatta riktningar dras till varandra, bryts isär, förenas igen och sedan snäpper iväg med våld.
I fallet med magnetisk återkoppling tvingar snäppet av magnetiska linjer ut magnetiserad plasma med höga hastigheter. Energin skapas och förskjuts till plasma genom en spänningskraft som den som skjuter ut föremål från slangbellor.
Magnetisk återkoppling sker när magnetfältslinjer i motsatta riktningar smälter samman, förenas igen och snäpper isär, vilket frigör enorma mängder energi för att värma upp plasma och driva utflöden i hög hastighet. Kredit:Yi-Hsin Liu/Dartmouth College
Dartmouth-studien fokuserar på återkopplingshastighetsproblemet, nyckelkomponenten i magnetisk återkoppling som beskriver hastigheten på den åtgärd där magnetiska linjer konvergerar och dras isär.
Tidigare forskning fann att Hall-effekten – interaktionen mellan elektriska strömmar och de magnetiska fälten som omger dem – skapar förutsättningar för snabb magnetisk återkoppling. Men hittills har forskare inte kunnat förklara detaljerna om exakt hur Hall-effekten ökar återanslutningshastigheten.
Dartmouths teoretiska studie visar att Hall-effekten undertrycker omvandlingen av energi från magnetfältet till plasmapartiklar. Detta begränsar mängden tryck vid den punkt där de smälter samman, vilket tvingar magnetfältslinjerna att kröka och klämma, vilket resulterar i en öppen utflödesgeometri som behövs för att påskynda återkopplingsprocessen.
"Denna teori tar upp det viktiga pusslet om varför och hur Hall-effekten gör återanslutningen så snabb", säger Liu, som fungerar som biträdande ledare för teori- och modelleringsteamet för NASA:s Magnetospheric Multiscale Mission (MMS). "Med denna forskning har vi också förklarat den explosiva magnetiska energifrisättningsprocessen som är grundläggande och allestädes närvarande i naturliga plasma."
Runt området där återkoppling sker ger avgången av jonrörelsen (blå strömlinjer i (a)) från elektronrörelsen (röda strömlinjer i (a)) upphov till "Hall-effekten", vilket resulterar i det elektromagnetiska energitransportmönstret illustreras av gula strömlinjer i (b). Detta transportmönster begränsar energiomvandlingen i centrum, vilket möjliggör snabb återkoppling. Kredit:Yi-Hsin Liu/Dartmouth College
Den nya teorin kan främja den tekniska förståelsen av solflammor och koronala massutkastningshändelser som orsakar rymdväder och elektriska störningar på jorden. Förutom att använda återkopplingshastigheten för att uppskatta tidsskalorna för solflammor, kan den också användas för att bestämma intensiteten hos geomagnetiska substormar och interaktionen mellan solvinden och jordens magnetosfär.
Forskargruppen arbetar tillsammans med NASA:s Magnetospheric Multiscale Mission för att analysera magnetisk återkoppling i naturen. Data från fyra satelliter som flyger i tät formation runt jordens magnetosfär som en del av NASA-uppdraget kommer att användas för att validera Dartmouths teoretiska fynd.
"Detta arbete visar att grundläggande teoretiska insikter förstärkta av modelleringsmöjligheter kan främja vetenskapliga upptäckter", säger Vyacheslav Lukin, programchef för plasmafysik vid NSF. "De tekniska och samhälleliga konsekvenserna av dessa resultat är spännande eftersom de kan hjälpa till att förutsäga effekterna av rymdvädret på elnätet, utveckla nya energikällor och utforska nya rymdframdrivningstekniker."
Den nya studien kan också informera om återkopplingsstudier i magnetiskt begränsade fusionsenheter och astrofysiska plasma nära neutronstjärnor och svarta hål. Även om det inte finns någon aktuell användning, har vissa forskare övervägt möjligheten att använda magnetisk återkoppling i rymdskeppspropeller. + Utforska vidare
