Аппараты ESA и NASA помогли найти ключ к решению важного и долго нерешенного вопроса в физике плазмы

Янв 30, 2018 Леонид Гляделов

Новости космоса:
Впервые ученые подсчитали, сколько энергии передается в различных масштабов в магнитослое, пограничной области между солнечным ветром и магнитным полем (магнитосферой), который защищает нашу планету. Основываясь на данных, собранных миссиями ESA Cluster и NASA THEMIS в течение нескольких лет, исследование показало, что турбулентность является ключом, что делает этот процесс в сто раз более эффективным, чем в солнечном ветре.

Планеты Солнечной системы, включая нашу Землю, омываются солнечным ветром, сверхзвуковым потоком высокоэнергетических заряженных частиц, неумолимо испускаемые Солнцем. Наша планета и еще несколько других выделяются в этом всепроникающем потоке частиц: это планеты, у которых есть собственное магнитное поле, и поэтому представляют собой препятствие для мощной силы солнечного ветра.

Подробнее:

Именно взаимодействие между магнитным полем Земли и солнечным ветром создает сложную структуру магнитосферы, защитный пузырь, который защищает нашу планету от подавляющего большинства частиц солнечного ветра.

До сих пор ученые достигли достаточно хорошего понимания физических процессов, происходящих в плазме солнечного ветра и в магнитосфере. Тем не менее, многие важные аспекты по-прежнему отсутствуют в отношении взаимодействия между этими двумя средами и особенно турбулентной области, которая их разделяет, известная как магнитослой, где и происходит большинство интересных процессов.

Лина является ведущим автором нового исследования, в котором впервые определена роль турбулентности в магнитослое.

«В солнечном ветре мы знаем, что турбулентность способствует диссипации энергии от больших масштабов - сотен тысяч километров, до меньших масштабов - километра, где частицы плазмы нагреваются и ускоряются до более высоких энергий», - объясняет соавтор Фуад Сахрауи из Лаборатории физики плазмы во Франции.

«Мы подозревали, что подобный механизм должен быть и в магнитослое, но мы не могли это проверить до сих пор», - добавляет он.

Плазма магнитосферы более турбулентна, в большей степени подвержена флуктуациям плотности и может быть сжата в гораздо большей степени, чем солнечный ветер. Таким образом, это существенно сложнее, и ученые только в последние годы разработали теоретические рамки для изучения физических процессов, происходящих в такой среде.

Лина, Фуад и их сотрудники расчистили обширный объем данных, собранных в период между 2007 и 2011 годами четырьмя космическими аппаратами кластера ESA и двумя из пяти космических аппаратов миссий THEMIS НАСА, которые летают через магнитную среду Земли.

«Мы обнаружили, что плотность и магнитные флуктуации, вызванные турбулентностью в магнитосфере, усиливают скорость, с которой энергия каскадов от больших до малых масштабов, по меньшей мере, в сто раз по сравнению с тем, что наблюдается в солнечном ветре», объясняет Лина.

«Мы ожидали, что сжимаемая турбулентность повлияет на перенос энергии в плазме магнитосферы, но не на то, что она будет столь значительной», добавляет она.

Кроме того, ученые смогли получить эмпирическую корреляцию, которая связывает скорость рассеивания энергии в магнитосфере с четвертой степенью другой величины, используемой для изучения движения жидкостей, так называемого турбулентного числа Маха. Названный в честь австрийского физика Эрнста Маха, он количественно определяет скорость колебаний в потоке относительно скорости звука в этой жидкости, указывая, является ли поток дозвуковым или сверхзвуковым.

В то время как скорость передачи энергии сложно определить, если не использовать космические зонды, которые проводят измерения на месте, такие как космический аппарат кластера, пробоотборный плазмы вокруг Земли, число Маха можно более легко оценить, используя дистанционные наблюдения за множеством астрофизической плазмы за пределами области Наша планета.

«Если эта эмпирическая связь окажется универсальной, будет чрезвычайно полезно исследовать космическую плазму, которая не может быть непосредственно исследована космическими аппаратами, такими как межзвездная среда, которая пронизывает наш Млечный Путь и другие галактики», - говорит Фуад.

Ученые с нетерпением ждут сравнения своих результатов с измерениями плазмы, окружающей другие планеты Солнечной системы, с собственным магнитным полем, например, с помощью миссии НАСА «Юнона», в настоящее время на Юпитере и будущего Icy Moons Explorer от ESA, а также совместного ESA- Миссия JAXA BepiColombo к Меркурию, которая планируется в этом году.

   Любой сайт развивается благодаря тому, что о нем узнает все больше людей. Не проходите мимо, поделитесь новостями космоса: