Новая тория решает загадку почему и как эффект Холла подавляет преобразование энергии магнитного поля в частицы плазмы
Дартмутское исследование сосредоточено на проблеме скорости пересоединения, ключевом компоненте магнитного пересоединения, который описывает скорость действия, при котором магнитные линии сходятся и расходятся. Предыдущие исследования показали, что эффект Холла — взаимодействие между электрическими токами и окружающими их магнитными полями — создает условия для быстрого магнитного пересоединения. Но до сих пор исследователи не могли объяснить детали того, как именно эффект Холла увеличивает скорость повторного соединения. Теоретическое исследование Дартмута демонстрирует, что эффект Холла подавляет преобразование энергии магнитного поля в частицы плазмы. Это ограничивает величину давления в точке, где они сливаются, заставляя линии магнитного поля искривляться и сжиматься, что приводит к открытой геометрии оттока, необходимой для ускорения процесса повторного соединения.
Солнечные вспышки и выбросы корональной массы на Солнце вызваны «магнитным пересоединением» — когда линии магнитного поля противоположных направлений сливаются, воссоединяются и расходятся, создавая взрывы, высвобождающие огромное количество энергии. Предоставлено: Лаборатория концептуальных изображений НАСА.
Когда линии магнитного поля противоположных направлений сливаются, они создают взрывы, которые могут высвободить огромное количество энергии. На Солнце слияние противоположных силовых линий вызывает солнечные вспышки и корональные выбросы массы, гигантские всплески энергии, которые могут добраться до Земли в течение дня.
Хотя общая механика магнитного пересоединения известна, исследователи более полувека пытались объяснить точную физику происходящего быстрого высвобождения энергии.
Новое исследование Дартмута, опубликованное в журнале Communications Physics , дает первое теоретическое описание того, как явление, известное как «эффект Холла», определяет эффективность магнитного пересоединения.
«Скорость, с которой линии магнитного поля воссоединяются, имеет чрезвычайно важное значение для процессов в космосе, которые могут повлиять на Землю», — сказал Йи-Хсин Лю, доцент кафедры физики и астрономии Дартмутского университета. «После десятилетий усилий у нас теперь есть полная теория для решения этой давней проблемы».
Магнитное пересоединение существует повсюду в природе в плазме, четвертом состоянии материи, которое заполняет большую часть видимой Вселенной. Повторное соединение происходит, когда силовые линии магнитного поля противоположных направлений притягиваются друг к другу, разрываются, воссоединяются, а затем резко отрываются.
В случае магнитного пересоединения разрыв магнитных линий вытесняет намагниченную плазму с большими скоростями. Энергия создается и перемещается в плазму за счет силы натяжения, подобной той, которая выбрасывает предметы из рогаток.
Магнитное пересоединение происходит, когда линии магнитного поля противоположных направлений сливаются, воссоединяются и расходятся, высвобождая огромное количество энергии для нагрева плазмы и запуска высокоскоростных потоков. Предоставлено: Йи-Синь Лю / Дартмутский колледж
Дартмутское исследование сосредоточено на проблеме скорости пересоединения, ключевом компоненте магнитного пересоединения, который описывает скорость действия, при котором магнитные линии сходятся и расходятся.
Предыдущие исследования показали, что эффект Холла — взаимодействие между электрическими токами и окружающими их магнитными полями — создает условия для быстрого магнитного пересоединения. Но до сих пор исследователи не могли объяснить детали того, как именно эффект Холла увеличивает скорость повторного соединения.
Теоретическое исследование Дартмута демонстрирует, что эффект Холла подавляет преобразование энергии магнитного поля в частицы плазмы. Это ограничивает величину давления в точке, где они сливаются, заставляя линии магнитного поля искривляться и сжиматься, что приводит к открытой геометрии оттока, необходимой для ускорения процесса повторного соединения.
«Эта теория решает важную загадку того, почему и как эффект Холла вызывает такое быстрое воссоединение», — сказал Лю, который является заместителем руководителя группы теории и моделирования в многомасштабной магнитосферной миссии НАСА (MMS). «С помощью этого исследования мы также объяснили взрывной процесс высвобождения магнитной энергии, который является фундаментальным и повсеместным в естественной плазме».
Новая теория может способствовать техническому пониманию солнечных вспышек и выбросов корональной массы, которые вызывают космическую погоду и электрические возмущения на Земле. Помимо использования скорости пересоединения для оценки временных масштабов солнечных вспышек, ее также можно использовать для определения интенсивности геомагнитных суббурь и взаимодействия между солнечным ветром и магнитосферой Земли.
Вокруг области, где происходит пересоединение, отклонение движения ионов (синие линии тока на (а)) от движения электронов (красные линии тока на (а)) приводит к «эффекту Холла», который приводит к модели переноса электромагнитной энергии. показано желтыми линиями тока на (b). Этот транспортный шаблон ограничивает преобразование энергии в центре, обеспечивая быстрое переподключение. Предоставлено: Йи-Синь Лю / Дартмутский колледж
Исследовательская группа работает вместе с многомасштабной магнитосферной миссией НАСА для анализа магнитного пересоединения в природе. Данные с четырех спутников, летящих плотным строем вокруг магнитосферы Земли в рамках миссии НАСА, будут использоваться для проверки теоретического открытия Дартмута.
«Эта работа демонстрирует, что понимание фундаментальной теории, подкрепленное возможностями моделирования, может способствовать научным открытиям», — сказал Вячеслав Лукин, программный директор по физике плазмы в NSF. «Технологические и социальные последствия этих результатов интригуют, поскольку они могут помочь предсказать влияние космической погоды на электросеть , разработать новые источники энергии и исследовать новые технологии космических двигателей».
Новое исследование может также помочь в исследованиях пересоединения в магнитных термоядерных устройствах и астрофизической плазме вблизи нейтронных звезд и черных дыр. Хотя в настоящее время нет прикладного применения, некоторые исследователи рассматривали возможность использования магнитного пересоединения в двигателях космических кораблей.
