De zonnewind die de magnetosfeer aan de dagzijde van de aarde beukt, veroorzaakt turbulentie, als lucht boven een vleugel. Natuurkundigen van Rice University hebben nieuwe methoden ontwikkeld om te karakteriseren hoe dat het ruimteweer aan de nachtzijde beïnvloedt.

Het is daar zelden stil. De zonnewind stroomt rond de aarde en vaart weg in de nacht, maar dichter bij de planeet, pakketjes plasma worden gevangen in de turbulentie en zinken terug naar de aarde. Die turbulentie veroorzaakt grote rimpelingen in het plasma.

Met behulp van verschillende ruimtevaartuigen en rekenhulpmiddelen die de afgelopen tien jaar zijn ontwikkeld, Rijstwetenschappers onder leiding van ruimteplasmafysicus Frank Toffoletto kunnen nu de rimpelingen beoordelen, drijfgolven genoemd, veroorzaakt door de turbulentie.

Deze golven, of oscillaties, zijn waargenomen in de dunne laag magnetische flux langs de basis van de plasmaplaat die wegloopt van de nachtzijde van de planeet. De Rice-theorie is de eerste die hun beweging kwantificeert.

De theorie voegt nog een element toe aan het Rice Convection Model, een gevestigde, decennia-in-wording algoritme dat wetenschappers helpt te berekenen hoe de binnenste en middelste magnetosfeer zullen reageren op gebeurtenissen zoals zonnestormen die satellieten bedreigen, communicatie en elektriciteitsnetten op aarde.

Het nieuwe papier binnen JGR Ruimtefysica door Tofoletto, emeritus-professor Richard Wolf en voormalig afgestudeerde student Aaron Schutza beginnen met het beschrijven van de bellen - "bursty bulk flows" voorspeld door Wolf en Rice alumnus Duane Pontius in 1990 - die via de plasmastaart naar de aarde terugvallen.

functioneel, ze zijn het omgekeerde van drijvende luchtbellen die door de zwaartekracht op en neer in de atmosfeer dobberen, maar de plasmabellen reageren in plaats daarvan op magnetische velden. De plasmabellen verliezen het grootste deel van hun momentum tegen de tijd dat ze de theoretische, filamentachtige grens tussen de binnenste plasmalaag en de beschermende plasmasfeer.

Dat zet de remgrens in een zachte oscillatie, wat slechts enkele minuten duurt voordat het weer stabiliseert. Toffoletto vergeleek de beweging met een getokkelde gitaarsnaar die snel weer in evenwicht komt.

"De mooie naam hiervoor is de eigenmode, " zei hij. "We proberen de laagfrequente eigenmodes van de magnetosfeer te achterhalen. Ze zijn niet veel bestudeerd, hoewel ze lijken te worden geassocieerd met dynamische verstoringen van de magnetosfeer."

Toffoletto zei dat het Rice-team de afgelopen jaren door middel van simulaties heeft ontdekt dat de magnetosfeer niet altijd lineair reageert op de constante drijvende kracht van de zonnewind.

"Je krijgt allerlei golfmodi in het systeem, " hij zei, uitleggen dat bursty bulkstromen zo'n modus zijn. "Elke keer als een van deze dingen binnenkomt, wanneer ze het binnenste gebied raken, ze bereiken in principe hun evenwichtspunt en oscilleren met een bepaalde frequentie. Het vinden van die frequentie is waar dit artikel over gaat."

Zoals gemeten door het THEMIS-ruimtevaartuig, de perioden van deze golven zijn enkele minuten en de amplitudes zijn vaak groter dan de aarde.

"Het begrijpen van de natuurlijke frequentie van het systeem en hoe het zich gedraagt, kan ons veel vertellen over de fysieke eigenschappen van plasma aan de nachtkant, het transport ervan en hoe het verband kan houden met de aurora, " zei hij. "Veel van deze verschijnselen verschijnen in de ionosfeer als poollichtstructuren, en we begrijpen niet waar deze structuren vandaan komen."

Toffoletto zei dat de modellen suggereren dat drijvende golven een rol kunnen spelen bij de vorming van de ringstroom die bestaat uit geladen deeltjes die rond de aarde stromen, evenals magnetosferische substormen, die allemaal verbonden zijn met de aurora.

Hij zei dat niet meer dan een decennium geleden, veel magnetosfeersimulaties "zou er erg uniform uitzien, nogal saai." De Rice-groep werkt samen met het Applied Physics Laboratory om het Rice Convection Model op te nemen in een nieuw ontwikkelde wereldwijde magnetosfeercode genaamd "Gamera, " genoemd naar het fictieve Japanse monster.

"Nutsvoorzieningen, met zulke modellen met een hogere resolutie en veel betere numerieke methoden, deze structuren beginnen te verschijnen in de simulaties, "Zei Toffoletto. "Dit document is een klein stukje van de puzzel die we aan het leggen zijn over hoe het systeem zich gedraagt. Dit alles speelt een grote rol bij het begrijpen hoe ruimteweer werkt en hoe dat op zijn beurt de technologie beïnvloedt, satellieten en op de grond gebaseerde systemen."

Het Rice Convection Model zelf werd deze maand opgefrist in een paper onder leiding van de recente Rice-alumnus Jian Yang, nu universitair hoofddocent aard- en ruimtewetenschappen aan de Southern University of Science and Technology, Shenzhen, China.