Астрономи виявили турбулентний динамо-ефект у магнітосфері Землі

За допомогою місії НАСА MMS вчені вперше довели існування в космічному середовищі Землі природного «динамо» — тобто процесу, що самостійно генерує електричні струми та, отже, магнітні поля. Досі існували лише теоретичні припущення.

Про це повідомляють в Інституті космічних досліджень (IWF) Австрійської академії наук, передають OstanniPodii.com.

Перетворення енергії на Землі та у Всесвіті

Перетворення енергії є невід′ємною частиною нашого повсякдення. Потоки води у річках приводять у рух турбіни для вироблення електроенергії, вітрові електростанції перетворюють кінетичну енергію руху повітря на електрику, атомні електростанції перетворюють тепло на електричну енергію, а викопні види палива вивільняють накопичену хімічну енергію для опалення, транспорту та промисловості. Весь наш технологічний світ залежить від перетворення однієї форми енергії в іншу.

Далеко за межами людської техніки Всесвіт також функціонує на основі перетворення енергії. Енергія Сонця нагріває атмосферу й поверхню Землі, створюючи таким чином умови, які роблять нашу планету придатною для життя. У зорях надзвичайно гарячий, електрично заряджений газ — так звана плазма — рухається бурхливо й хаотично. В результаті цього виникають електричні струми, з яких, своєю чергою, утворюються магнітні поля. Вони керують більшою частиною активності Сонця та інших зірок, наприклад, спалахами, плямами або коливаннями випромінювання. І навіть у величезних масштабах цілих галактик потужні космічні рухи підсилюють магнітні поля, що простягаються на тисячі світлових років і визначають розвиток цих зоряних систем.

Космічне динамо

Одним з основних механізмів цих космічних перетворень енергії є динамо: процес, під час якого рух електропровідної речовини (плазми) генерує або підсилює магнітні поля. Відомо, що динамо діють у ядрі Землі, на Сонці, у далеких зорях і в усьому космосі. Попри їхню важливість, досі було вкрай мало прямих експериментальних доказів того, як динамо насправді функціонують у природних космічних плазмах.

Дослідження, проведено міжнародною групою вчених під керівництвом IWF, тепер надає найпереконливіший на сьогодні доказ існування турбулентного дрібномасштабного динамо в так званій «магнітосфері» Землі. Цей шар, розташований між дугоподібною ударною хвилею та магнітопаузою Землі, є однією з найбільш турбулентних областей у навколоземному космосі.

Вимірювання підтверджують теоретичні прогнози

За допомогою місії NASA "Магнітосферна великомасштабна місія" (MMS) — чотирьох космічних зондів, що летять у пірамідальній формації й завдяки цьому здатні одночасно проводити вимірювання в чотирьох точках — дослідницька група спостерігала типові «розтягувані та складані» візерунки в магнітних полях. Саме такі візерунки передбачає теорія динамо. Тепер же дослідники вперше змогли безпосередньо спостерігати, як магнітні поля підсилюють себе за рахунок хаотичного руху плазми.

«Ми виявили області, в яких магнітні поля посилюються за рахунок потоків плазми, та інші, в яких поля слабшають і згортаються», — описує фізик-плазмолог IWF Золтан Верос, перший автор дослідження. «Ці особливості узгоджуються з багаторічними теоретичними передбаченнями та чисельними симуляціями, проте ніколи раніше не спостерігалися в космосі настільки чітко», — продовжує Верос.

Це дослідження є важливим кроком у напрямку доповнення теорії, лабораторних експериментів і чисельних симуляцій плазмових процесів прямими спостереженнями в космосі та допомагає нам пояснити один з найфундаментальніших процесів перетворення енергії у Всесвіті.

Чому космічні дослідження важливі

Місія MMS спрямована на вивчення процесів магнітного перез′єднання — фундаментального явища, при якому лінії магнітного поля з′єднуються та знову роз′єднуються. При цьому магнітна енергія вибухово перетворюється на тепло та кінетичну енергію. Чотири ідентичні супутники, що летять у щільній пірамідальній формації, дозволяють вченим збирати тривимірні дані про магнітне перез′єднання. Прилади на борту вимірюють частинки та поля в магнітному полі Землі з максимальною роздільною здатністю та зі швидкістю, що в 100 разів перевищує швидкість усіх попередніх місій.

Нові відкриття не тільки покращують наше розуміння космічної погоди, яка може впливати на навігацію, зв′язок та електромережі. Вони також дають важливі відомості про хаотичні, турбулентні та нестабільні рухи плазми — процеси, що відбуваються як у космосі, так і в термоядерних реакторах. Ці знання можуть допомогти краще передбачати та контролювати нестабільність плазми в майбутніх термоядерних установках, тим самим прокладаючи шлях до чистої та безпечної термоядерної енергії.

Результати дослідження були нещодавно опубліковані в науковому журналі Nature Communications.

• Земля