Новая компьютерная модель помогает переносить солнце в лабораторию

Каждый день солнце выбрасывает на Землю большое количество горячего супа из частиц, известного как плазма, что может нарушить работу телекоммуникационных спутников и повредить электрические сети. Теперь ученые из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США (DOE) и Департамента астрофизических наук Принстонского университета сделали открытие, которое может привести к более точным предсказаниям этой космической погоды и помочь защитить чувствительную инфраструктуру.


Это открытие связано с новой ной моделью, которая предсказывает поведение плазмы в области над поверхностью Солнца, известной как солнечная корона. Первоначально эта модель была вдохновлена ​​аналогичной моделью, описывающей поведение плазмы, которая питает термоядерные реакции в термоядерных установках в форме пончика, известных как токамаки.

Термоядерный , сила, которая управляет солнцем и звездами, объединяет легкие элементы в виде плазмы – горячего заряженного состояния вещества, состоящего из свободных электронов и атомных ядер, – которое генерирует огромное количество энергии. Ученые стремятся воспроизвести термоядерный синтез на Земле, чтобы получить практически неисчерпаемый источник энергии для выработки электричества.

Ученые из Принстона сделали свои выводы, изучая связанные магнитные поля, которые входят в и выходят из Солнца. При определенных условиях петли могут вызывать выброс горячих частиц с поверхности Солнца в виде огромных отрыжек, известных как выбросы корональной массы. Эти частицы могут в конечном итоге попасть в магнитное поле, окружающее Землю, и вызвать полярные сияния, а также создать помехи в работе электрических и коммуникационных систем.

«Нам необходимо понять причины этих извержений, чтобы предсказать космическую погоду», – сказал Эндрю Альт, аспирант Принстонской программы по физике плазмы в PPPL и ведущий автор , сообщающей о результатах в Астрофизический журнал.

Модель основана на новом математическом методе, который включает в себя новое понимание причин нестабильности, обнаруженное Альтом и его сотрудниками. Ученые обнаружили, что тип покачивания, известный как «нестабильность тора», может привести к отвязке магнитных полей от поверхности Солнца, вызывая поток плазмы.

Неустойчивость тора ослабляет некоторые силы, удерживающие привязанные веревки. Как только эти силы ослабевают, другая сила заставляет веревки расширяться и подниматься дальше от поверхности Солнца. «Способность нашей модели точно предсказывать поведение магнитных тросов указывает на то, что наш метод в конечном итоге может быть использован для улучшения предсказания космической погоды», – сказал Альт.

Ученые также разработали способ более точного перевода лабораторных результатов в условия на солнце. Предыдущие модели основывались на предположениях, которые упрощали расчеты, но не всегда точно имитировали плазму. Новый метод полагается только на необработанные данные. «Допущения, заложенные в предыдущие модели, устраняют важные физические эффекты, которые мы хотим учитывать», – сказал Альт. «Без этих предположений мы можем делать более точные прогнозы».

Для проведения своих исследований ученые создали веревки магнитного потока внутри эксперимента по магнитному воссоединению (MRX) PPPL, бочкообразной машины, разработанной для изучения сближения и взрывного разрушения силовых линий магнитного поля в плазме. Но флюсовые канаты, созданные в лаборатории, ведут себя иначе, чем канаты на солнце, поскольку, например, флюсовые канаты в лаборатории должны удерживаться металлическим сосудом.