De interplanetaire ruimte is nauwelijks rustig. Hoogenergetische geladen deeltjes van de zon, evenals van buiten ons zonnestelsel, constant voorbij suizen. Deze kunnen satellieten beschadigen en de gezondheid van astronauten in gevaar brengen, hoewel gelukkig voor het leven op aarde, de planeet is bedekt met een beschermende magnetische bel die wordt gecreëerd door het magnetische veld. Deze bubbel, de magnetosfeer genoemd, buigt de meeste schadelijke hoogenergetische deeltjes af.

Hoe dan ook, sommigen sluipen er doorheen - en in de voorhoede van het uitzoeken hoe dit gebeurt, is NASA's Magnetospheric Multiscale-missie, of mms. Nieuwe resultaten tonen aan dat tornado-achtige wervelingen van ruimteplasma een grens creëren die tumultueus genoeg is om deeltjes in de buurt van de aarde te laten glippen.

mms, gelanceerd in 2015, gebruikt vier identieke ruimtevaartuigen die in een piramideformatie vliegen om een ​​driedimensionale blik te werpen op de magnetische omgeving rond de aarde. De missie bestudeert hoe deeltjes in de magnetosfeer terechtkomen door zich te concentreren op de oorzaken en gevolgen van magnetische herverbinding - een explosieve gebeurtenis waarbij magnetische veldlijnen elkaar kruisen, het lanceren van elektronen en ionen van de zonnewind in de magnetosfeer.

Door observaties van MMS te combineren met nieuwe 3D-computersimulaties, wetenschappers hebben voor het eerst de kleinschalige fysica kunnen onderzoeken van wat er aan de grenzen van onze magnetosfeer gebeurt. De resultaten, onlangs gepubliceerd in een paper in Natuurcommunicatie , zijn essentieel om te begrijpen hoe de zonnewind soms de magnetosfeer van de aarde binnendringt, waar het kan interfereren met satellieten en GPS-communicatie.

Binnen de magnetosfeer, de dichtheid van de ruimteplasma-geladen deeltjes, zoals elektronen en ionen - veel lager is dan het plasma buiten, waar de zonnewind heerst. De grens, de magnetopauze genoemd, wordt onstabiel wanneer de twee verschillende dichtheidsgebieden met verschillende snelheden bewegen. Gigantische wervelingen, genaamd Kelvin Helmholtz golven, vormen langs de rand als beukende oceaangolven. De eens zo gladde grens raakt verward en geperst, plasmatornado's vormen, die fungeren als patrijspoorten voor het transport van geladen deeltjes van de zonnewind naar de magnetosfeer.

Kelvin Helmholtz-golven worden overal in het universum aangetroffen waar twee materialen van verschillende dichtheid langs elkaar heen bewegen. Ze zijn te zien in wolkenformaties rond de aarde en zijn zelfs waargenomen in andere planetaire atmosferen in ons zonnestelsel.

Met behulp van grootschalige computersimulaties van deze vermenging, uitgevoerd in het Oak Ridge National Laboratory in Oak Ridge, Tennessee, op de Titan-supercomputer, en ze te vergelijken met observaties die MMS nam terwijl ze door zo'n gebied in de ruimte gingen, wetenschappers konden aantonen dat de tornado's buitengewoon efficiënt waren in het transporteren van geladen deeltjes - veel meer dan eerder werd gedacht. Door de vergelijkingen tussen de simulaties en observaties konden de wetenschappers de exacte afmetingen van de tornado's meten. Ze ontdekten dat deze tornado's zowel groot als klein waren - degenen die 9 bereikten 300 mijl bracht kleinere tornado's voort van 60 tot 90 mijl breed en meer dan 125 mijl lang.

MMS is onlangs in een nieuwe baan terechtgekomen, vliegen aan de andere kant van de aarde, weg van de zon. Hier ook, het zal magnetische herverbinding blijven bestuderen, maar focus in plaats daarvan op hoe energie en deeltjes op elkaar inwerken in de magnetosfeer van de aarde, in de lange slepende magnetotail. Het begrijpen van dergelijke fundamentele processen in de omgeving van de aarde helpt ons situationeel bewustzijn van de ruimte om ons heen te verbeteren - cruciale informatie omdat deze steeds meer wordt gevuld met satellieten en communicatiesystemen waarvan we afhankelijk zijn.