Elke dag, de zon werpt grote hoeveelheden van een hete deeltjessoep die bekend staat als plasma naar de aarde, waar het telecommunicatiesatellieten kan verstoren en elektrische netten kan beschadigen. Nutsvoorzieningen, wetenschappers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en het Department of Astrophysical Sciences van Princeton University hebben een ontdekking gedaan die kan leiden tot betere voorspellingen van dit ruimteweer en kan helpen bij het beschermen van gevoelige infrastructuur.

De ontdekking komt van een nieuw computermodel dat het gedrag van het plasma voorspelt in het gebied boven het oppervlak van de zon dat bekend staat als de zonnecorona. Het model is oorspronkelijk geïnspireerd op een soortgelijk model dat het gedrag beschrijft van het plasma dat de fusiereacties aanstuurt in donutvormige fusiefaciliteiten die bekend staan ​​als tokamaks.

Fusie, de kracht die de zon en de sterren aandrijft, combineert lichte elementen in de vorm van plasma - het hete, geladen toestand van materie bestaande uit vrije elektronen en atoomkernen - die enorme hoeveelheden energie genereert. Wetenschappers proberen fusie op aarde na te bootsen voor een vrijwel onuitputtelijke stroomvoorziening om elektriciteit op te wekken.

De wetenschappers van Princeton deden hun bevindingen tijdens het bestuderen van aan elkaar geknoopte magnetische velden die in en uit de zon lopen. Onder bepaalde omstandigheden, de lussen kunnen ervoor zorgen dat hete deeltjes van het oppervlak van de zon losbarsten in enorme oprispingen die bekend staan ​​​​als coronale massa-ejecties. Die deeltjes kunnen uiteindelijk het magnetische veld rond de aarde raken en aurora's veroorzaken, evenals interfereren met elektrische en communicatiesystemen.

"We moeten de oorzaken van deze uitbarstingen begrijpen om ruimteweer te voorspellen, " zei Andrew Alt, een afgestudeerde student in het Princeton-programma in plasmafysica bij PPPL en hoofdauteur van het artikel dat de resultaten rapporteert in de Astrofysisch tijdschrift .

Het model is gebaseerd op een nieuwe wiskundige methode die een nieuw inzicht bevat dat Alt en medewerkers ontdekten in wat de instabiliteit veroorzaakt. De wetenschappers ontdekten dat een soort schudden dat bekend staat als de "torusinstabiliteit" ervoor kan zorgen dat magnetische velden met touw loskomen van het oppervlak van de zon, een stroom plasma veroorzaken.

De torusinstabiliteit maakt een deel van de krachten losser en houdt de touwen vastgebonden. Zodra die krachten verzwakken, een andere kracht zorgt ervoor dat de touwen uitzetten en verder van het zonneoppervlak omhoog komen. "Het vermogen van ons model om het gedrag van magnetische touwen nauwkeurig te voorspellen, geeft aan dat onze methode uiteindelijk kan worden gebruikt om de voorspelling van het ruimteweer te verbeteren, ' zei Alt.

De wetenschappers hebben ook een manier ontwikkeld om laboratoriumresultaten nauwkeuriger te vertalen naar omstandigheden op de zon. Eerdere modellen waren gebaseerd op aannames die berekeningen gemakkelijker maakten, maar plasma niet altijd precies simuleerden. De nieuwe techniek vertrouwt alleen op ruwe data. "De aannames die in eerdere modellen zijn ingebouwd, verwijderen belangrijke fysieke effecten die we willen overwegen, "Alt zei. "Zonder deze aannames, kunnen we nauwkeurigere voorspellingen doen."

Om hun onderzoek uit te voeren, de wetenschappers creëerden magnetische fluxkabels in PPPL's ​​Magnetic Reconnection Experiment (MRX), een tonvormige machine ontworpen om het samenkomen en het explosief uiteenvallen van de magnetische veldlijnen in plasma te bestuderen. Maar fluxkabels die in het laboratorium zijn gemaakt, gedragen zich anders dan touwen op de zon, sinds, bijvoorbeeld, de fluxkabels in het laboratorium moeten worden vastgehouden door een metalen vat.

De onderzoekers hebben wijzigingen aangebracht in hun wiskundige hulpmiddelen om rekening te houden met deze verschillen, ervoor te zorgen dat de resultaten van MRX konden worden vertaald naar de zon. "Er zijn omstandigheden op de zon die we in het laboratorium niet kunnen nabootsen, " zei PPPL-natuurkundige Hantao Ji, een professor aan de Princeton University die Alt adviseert en heeft bijgedragen aan het onderzoek. "Dus, we passen onze vergelijkingen aan om rekening te houden met de afwezigheid of aanwezigheid van bepaalde fysieke eigenschappen. We moeten ervoor zorgen dat ons onderzoek appels met appels vergelijkt, zodat onze resultaten accuraat zijn."

De ontdekking van het bewegende plasmagedrag zou ook kunnen leiden tot een efficiëntere opwekking van door fusie aangedreven elektriciteit. Magnetische herverbinding en gerelateerd plasmagedrag komen zowel voor in tokamaks als op de zon, dus elk inzicht in deze processen zou wetenschappers kunnen helpen ze in de toekomst te beheersen.

Ondersteuning voor dit onderzoek kwam van de DOE, de National Aeronautics and Space Administration, en de Duitse Onderzoeksstichting. Onderzoekspartners zijn onder meer Princeton University, Sandia Nationale Laboratoria, de Universiteit van Potsdam, het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, en de Bulgaarse Academie van Wetenschappen.

PPPL, op de Forrestal Campus van Princeton University in Plainsboro, NJ, is gewijd aan het creëren van nieuwe kennis over de fysica van plasma's - ultraheet, geladen gassen - en het ontwikkelen van praktische oplossingen voor het creëren van fusie-energie. Het laboratorium wordt beheerd door de University for the U.S. Department of Energy's Office of Science, dat de grootste voorstander is van fundamenteel onderzoek in de natuurwetenschappen in de Verenigde Staten en werkt aan het aanpakken van enkele van de meest urgente uitdagingen van onze tijd. Voor meer informatie, bezoek energy.gov/science