Voor de eerste keer, wetenschappers hebben geschat hoeveel energie wordt overgedragen van grote naar kleine schalen in de magnetoschacht, het grensgebied tussen de zonnewind en de magnetische bel die onze planeet beschermt. Gebaseerd op gegevens die gedurende meerdere jaren zijn verzameld door ESA's Cluster- en NASA's THEMIS-missies, uit de studie bleek dat turbulentie de sleutel is, waardoor dit proces honderd keer efficiënter is dan in de zonnewind.

De planeten in het zonnestelsel, inclusief onze aarde, baden in de zonnewind, een supersonische stroom van zeer energieke, geladen deeltjes die meedogenloos door de zon worden vrijgegeven. Onze planeet en een paar andere vallen op in deze alles doordringende stroom van deeltjes:dit zijn de planeten die een eigen magnetisch veld hebben, en vormen zo een obstakel voor de overweldigende kracht van de zonnewind.

Het is de interactie tussen het magnetisch veld van de aarde en de zonnewind die de ingewikkelde structuur van de magnetosfeer creëert, een beschermende bel die onze planeet beschermt tegen de overgrote meerderheid van zonnewinddeeltjes.

Tot dusver, wetenschappers hebben een redelijk goed begrip gekregen van de fysieke processen die plaatsvinden in het zonnewindplasma en in de magnetosfeer. Echter, er ontbreken nog veel belangrijke aspecten over het samenspel tussen deze twee omgevingen en over de zeer turbulente regio die hen scheidt, bekend als magnetosath, waar het vermoeden bestaat dat de meeste interessante actie plaatsvindt.

"Om te leren hoe energie wordt overgedragen van de zonnewind naar de magnetosfeer, we moeten begrijpen wat er in de magnetoschacht gebeurt, het 'grijze gebied' ertussen, " zegt Lina Zafer Hadid, van het Swedish Institute of Space Physics in Uppsala, Zweden.

Lina is de hoofdauteur van een nieuwe studie die kwantificeert, Voor de eerste keer, de rol van turbulentie in de magnetoschacht. De resultaten worden vandaag gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

"In de zonnewind, we weten dat turbulentie bijdraagt ​​aan de dissipatie van energie van grote schalen van honderdduizenden kilometers naar kleinere schalen van een kilometer, waar plasmadeeltjes worden opgewarmd en versneld tot hogere energieën, ", legt co-auteur Fouad Sahraoui van het Laboratorium voor Plasmafysica in Frankrijk uit.

"We vermoedden dat een soortgelijk mechanisme ook in de magnetoschacht zou moeten spelen, maar we hebben het tot nu toe nooit kunnen testen, " hij voegt toe.

Het magnetosheath-plasma is turbulenter, hebben een grotere mate van dichtheidsfluctuaties en kunnen in veel hogere mate worden samengedrukt dan de zonnewind. Als zodanig, het is aanzienlijk complexer, en wetenschappers hebben pas de laatste jaren het theoretische kader ontwikkeld om de fysische processen die in zo'n omgeving plaatsvinden te bestuderen.

Lina, Fouad en hun medewerkers hebben een enorme hoeveelheid gegevens doorzocht die tussen 2007 en 2011 zijn verzameld door de vier ruimtevaartuigen van ESA's Cluster en twee van de vijf ruimtevaartuigen van NASA's THEMIS-missies, die in formatie door de magnetische omgeving van de aarde vliegen.

Toen ze de recent ontwikkelde theoretische tools toepasten op hun datasteekproef, ze stonden voor een grote verrassing.

"We ontdekten dat dichtheid en magnetische fluctuaties veroorzaakt door turbulentie in de magnetoschacht de snelheid waarmee energie van grote naar kleine schaal cascadeert, minstens honderd keer versterken in vergelijking met wat wordt waargenomen in de zonnewind, " legt Lina uit.

De nieuwe studie geeft aan dat er elke seconde ongeveer 10-13 J energie per kubieke meter wordt overgedragen in dit gebied van de magnetische omgeving van de aarde.

"We verwachtten dat samendrukbare turbulentie een impact zou hebben op de energieoverdracht in magnetosheath-plasma, maar niet dat het zo belangrijk zou zijn, " zij voegt toe.

In aanvulling, de wetenschappers waren in staat om een ​​empirische correlatie af te leiden die de snelheid waarmee energie wordt gedissipeerd in de magnetoschacht koppelt aan de vierde macht van een andere hoeveelheid die wordt gebruikt om de beweging van vloeistoffen te bestuderen, het zogenaamde turbulente Mach-getal. Vernoemd naar de Oostenrijkse natuurkundige Ernst Mach, het kwantificeert de snelheid van fluctuaties in een stroom ten opzichte van de geluidssnelheid in die vloeistof, geeft aan of een stroom subsonisch of supersonisch is.

Hoewel de energieoverdrachtssnelheid lastig te bepalen is, tenzij ruimtesondes worden gebruikt die in situ metingen uitvoeren, zoals het Cluster-ruimtevaartuig dat het plasma rond de aarde bemonstert, het Mach-getal kan gemakkelijker worden geschat met behulp van externe waarnemingen van een verscheidenheid aan astrofysisch plasma buiten het rijk van onze planeet.

"Als deze empirische relatie universeel blijkt te zijn, het zal uiterst nuttig zijn om kosmisch plasma te onderzoeken dat niet direct met ruimtevaartuigen kan worden onderzocht, zoals het interstellaire medium dat onze Melkweg en andere sterrenstelsels doordringt, ' zegt Fouad.

De wetenschappers kijken ernaar uit om hun resultaten te vergelijken met metingen van het plasma dat andere planeten van het zonnestelsel omringt met een intrinsiek magnetisch veld, bijvoorbeeld met behulp van NASA's Juno-missie, momenteel bij Jupiter, en ESA's toekomstige Jupiter Icy Moons Explorer, en ook de gezamenlijke ESA-JAXA BepiColombo-missie naar Mercurius die later dit jaar wordt gelanceerd.

"Het is heel opwindend dat een onderzoek op basis van meerdere jaren Clustergegevens de sleutel heeft gevonden om een ​​grote, lang onopgeloste vraag in de plasmafysica, " zegt Philippe Escoubet, Clusterprojectwetenschapper bij ESA.