Магнітні поля в сонячному вітрі поводяться не так хаотично, як вважалося раніше. Аналіз даних зонда NASA Parker Solar Probe показав, що в умовах турбулентності магнітні поля на певних дуже малих масштабах змінюють напрям свого обертання. Про це повідомляє Школа наук Токійського університету, на яку посилається ScienceDaily.
Ця закономірність, вперше безпосередньо зафіксована в космічній плазмі, може допомогти краще зрозуміти структуру сонячного вітру та умови, що призводять до потужних геомагнітних бур на Землі.
Турбулентність у космосі не схожа на земну
Турбулентні потоки ми бачимо щодня — від вирів у річці до хмарних штормів. Однак у космосі більшість речовини перебуває у вигляді плазми — розрідженого газу з електрично заряджених частинок. Така плазма сильно взаємодіє з електричними та магнітними полями, а самі частинки настільки рідко зіштовхуються, що їхня поведінка помітно відрізняється від газів чи рідин на Землі.
Через це турбулентність у космічній плазмі підкоряється іншим законам, і фізики досі намагаються зрозуміти, як саме в таких умовах розвиваються хаотичні рухи та як енергія розподіляється між численними коливаннями поля й частинок.
Міжнародна команда науковців тепер знайшла у цьому «хаосі» несподівану впорядкованість: виявилося, що в турбулентних магнітних полях сонячного вітру існує чіткий шаблон, який змінюється з масштабом довжини хвилі.
Як Parker Solar Probe побачив магнітний розворот
Дослідники з Технічного університету Брауншвейга та Токійського університету разом із колегами з Тохоку, Кюсю, Осаки та інших установ використали високоточні вимірювання магнітних полів і частинок, виконані зондом Parker Solar Probe.
Апарат, який пролітає ближче до Сонця, ніж будь-яка попередня місія, дозволяє вивчати сонячний вітер до того, як він сильно зміниться під час поширення в Сонячній системі. Саме ці дані показали, що в певному діапазоні довжин хвиль турбулентні магнітні поля змінюють напрям своєї обертальної «переваги».
Спочатку, на більших масштабах, при розгляді вздовж напрямку від Сонця назовні, магнітне поле зазвичай обертається проти годинникової стрілки. Однак на значно менших масштабах «улюблений» напрям різко змінюється на обертання за годинниковою стрілкою.
Це перше пряме спостереження подібного розвороту в космічній турбулентності. Ба більше, вчені виявили, що зі збільшенням відстані від Сонця цей ефект стає виразнішим, а сам розворот зміщується до більших довжин хвиль.
Ключова межа між «рідиною» та окремими частинками
З’ясувалося, що розворот магнітних полів відбувається якраз на тій межі, де плазма перестає поводитися переважно як суцільний потік — «рідина» — і починає підкорятися динаміці окремих частинок. Ця так звана межа між магнітогідродинамічним (MHD) і кінетичним режимами давно цікавила фізиків.
Поява впорядкованого магнітного патерну саме в цій області вказує, що «флюїдні» та «частинкові» описи плазми тісно пов’язані між собою. Новий результат дає нарешті конкретну ознаку того, як енергія та структура турбулентності передаються від великих масштабів до малих.
Автори підкреслюють, що спостережувана структура проявляється у спектрі турбулентних коливань, хоча самі рухи плазми здаються безладними. Це робить відкриття особливо показовим: воно виявляє прихований порядок у системі, де домінує, на перший погляд, повний хаос.
Що це змінює для прогнозу космічної погоди
Хоча йдеться про дуже малі масштабі, наслідки відкриття можуть бути значними. Турбулентна плазма відіграє ключову роль у багатьох астрофізичних середовищах — від сонячного вітру та магнітосфери Землі до областей після сонячних спалахів, міжпланетного простору та акреційних дисків навколо різних космічних об’єктів.
Саме турбулентність впливає на поширення ударних хвиль і хмар магнітної плазми, що вилітають із Сонця після потужних викидів. Ці структури, досягнувши Землі, можуть спричиняти геомагнітні бурі, здатні порушувати роботу супутників, радіозв’язку та енергомереж.
Нові результати показують, як організований магнітний малюнок виникає в момент переходу від колективної поведінки плазми до режиму, де визначальними стають окремі частинки. Це додає важливу ланку до теоретичних моделей, які описують сонячний вітер і турбулентність у ньому.
За оцінкою авторів, кращий опис цих процесів у майбутньому може підвищити точність фізичних моделей, що використовуються для прогнозу геомагнітних бур і ширше — для передбачення космічної погоди, яка впливає на високотехнологічну інфраструктуру на Землі.