Астрономы обнаружили турбулентный динамо-эффект в магнитосфере Земли

С помощью миссии НАСА MMS ученые впервые доказали существование в космической среде Земли природного «динамо» — то есть процесса, самостоятельно генерирующего электрические токи и, следовательно, магнитные поля. До сих пор существовали лишь теоретические предположения.

Об этом сообщают в Институте космических исследований (IWF) Австрийской академии наук, передают OstanniPodii.com.

Преобразование энергии на Земле и во Вселенной

Преобразование энергии является неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. Потоки воды в реках приводят в движение турбины для выработки электроэнергии, ветровые электростанции преобразуют кинетическую энергию движения воздуха в электричество, атомные электростанции преобразуют тепло в электрическую энергию, а ископаемые виды топлива высвобождают накопленную химическую энергию для отопления, транспорта и промышленности. Весь наш технологический мир зависит от преобразования одной формы энергии в другую.

Далеко за пределами человеческой техники Вселенная также функционирует на основе преобразования энергии. Энергия Солнца нагревает атмосферу и поверхность Земли, создавая таким образом условия, которые делают нашу планету пригодной для жизни. В звездах чрезвычайно горячий, электрически заряженный газ — так называемая плазма — движется бурно и хаотично. В результате этого возникают электрические токи, из которых, в свою очередь, образуются магнитные поля. Они управляют большей частью активности Солнца и других звезд, например, вспышками, пятнами или колебаниями излучения. И даже в огромных масштабах целых галактик мощные космические движения усиливают магнитные поля, простирающиеся на тысячи световых лет и определяющие развитие этих звездных систем.

Космическое динамо

Одним из основных механизмов этих космических преобразований энергии является динамо: процесс, во время которого движение электропроводящего вещества (плазмы) генерирует или усиливает магнитные поля. Известно, что динамо действуют в ядре Земли, на Солнце, в далеких звездах и во всем космосе. Несмотря на их важность, до сих пор было крайне мало прямых экспериментальных доказательств того, как динамо на самом деле функционируют в природных космических плазмах.

Исследование, проведенное международной группой ученых под руководством IWF, теперь предоставляет самое убедительное на сегодняшний день доказательство существования турбулентного мелкомасштабного динамо в так называемой «магнитосфере» Земли. Этот слой, расположенный между дугообразной ударной волной и магнитопаузой Земли, является одной из самых турбулентных областей в околоземном космосе.

Измерения подтверждают теоретические прогнозы

С помощью миссии NASA «Магнитосферная крупномасштабная миссия» (MMS) — четырех космических зондов, летящих в пирамидальной формации и благодаря этому способных одновременно проводить измерения в четырех точках — исследовательская группа наблюдала типичные «растягивающиеся и складывающиеся» узоры в магнитных полях. Именно такие узоры предсказывает теория динамо. Теперь же исследователи впервые смогли непосредственно наблюдать, как магнитные поля усиливают себя за счет хаотического движения плазмы.

«Мы обнаружили области, в которых магнитные поля усиливаются за счет потоков плазмы, и другие, в которых поля ослабевают и сворачиваются», — описывает физик-плазмолог IWF Золтан Верос, первый автор исследования. «Эти особенности согласуются с многолетними теоретическими предсказаниями и численными симуляциями, однако никогда ранее не наблюдались в космосе столь четко», — продолжает Верос.

Это исследование является важным шагом в направлении дополнения теории, лабораторных экспериментов и численных симуляций плазменных процессов прямыми наблюдениями в космосе и помогает нам объяснить один из самых фундаментальных процессов преобразования энергии во Вселенной.

Почему такие космические исследования важны

Миссия MMS направлена на изучение процессов магнитного пересоединения — фундаментального явления, при котором линии магнитного поля соединяются и снова разъединяются. При этом магнитная энергия взрывообразно преобразуется в тепло и кинетическую энергию. Четыре идентичных спутника, летящие в плотной пирамидальной формации, позволяют ученым собирать трехмерные данные о магнитном пересоединении. Приборы на борту измеряют частицы и поля в магнитном поле Земли с максимальным разрешением и со скоростью, в 100 раз превышающей скорость всех предыдущих миссий.

Новые открытия не только улучшают наше понимание космической погоды, которая может влиять на навигацию, связь и электросети. Они также дают важную информацию о хаотических, турбулентных и нестабильных движениях плазмы — процессах, происходящих как в космосе, так и в термоядерных реакторах. Эти знания могут помочь лучше предсказывать и контролировать нестабильность плазмы в будущих термоядерных установках, тем самым прокладывая путь к чистой и безопасной термоядерной энергии.

Результаты исследования были недавно опубликованы в научном журнале Nature Communications.