Wanneer snel bewegende deeltjes van de zon het magnetische veld van de aarde raken, ze veroorzaakten reacties die communicatiesatellieten en elektriciteitsnetten zouden kunnen verstoren. Nutsvoorzieningen, wetenschappers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben nieuwe details van dit proces ontdekt die zouden kunnen leiden tot betere voorspellingen van dit zogenaamde ruimteweer.

De bevindingen geven aan hoe deze regelmatige uitbarstingen van snel bewegende deeltjes van de zon interageren met de magnetische velden rondom de aarde in een gebied dat bekend staat als de magnetosfeer. Tijdens deze zonne-uitstortingen, de magnetische veldlijnen van de zon en de aarde botsen. De veldlijnen breken en hechten dan weer, waarbij enorme hoeveelheden energie vrijkomen in een proces dat bekend staat als magnetische herverbinding. Die energie verspreidt zich door de magnetosfeer en in de bovenste atmosfeer van de aarde.

Ruimtevaartuigen en computers bieden inzichten

De wetenschappers ontwikkelden een computerprogramma, of algoritme, om automatisch belachtige structuren te detecteren die "plasmoïden" worden genoemd in gegevens die zijn verzameld uit de magnetosfeer. Het programma analyseerde informatie verzameld door NASA's Magnetospheric Multiscale (MMS) -missie, een groep van vier ruimtevaartuigen die in 2015 werd gelanceerd om de herverbinding in de magnetosfeer te bestuderen.

"Precies hoe herverbinding begint en energie vrijmaakt, is nog een open vraag, " zei Kendra Bergstedt, een afgestudeerde student in het Princeton-programma in plasmafysica bij PPPL en hoofdauteur van de paper die de resultaten rapporteert in: Geofysische onderzoeksbrieven . "Als we dit proces beter begrijpen, kunnen we voorspellen hoe zonnestormen ons hier op aarde beïnvloeden. We kunnen ook beter inzicht krijgen in hoe herverbinding fusiereacties beïnvloedt." In aanvulling, magnetische herverbinding is relevant voor fusie-energie, de kracht die de zon en de sterren aandrijft, die PPPL bestudeert in een poging om te dupliceren.

Het computerprogramma zoekt naar patronen in de gegevens en vermijdt inconsistenties die zouden kunnen optreden als het zoeken naar patronen door individuen was uitgevoerd. "De ene persoon kan naar gegevens kijken en denken dat het een bepaalde plasmoïde structuur is, terwijl iemand anders ernaar kan kijken en het er niet mee eens is, ' zei Bergstedt.

"Door een algoritme te gebruiken met strikte criteria, we kunnen precies zeggen hoe we elke structuur hebben gecategoriseerd en waarom. Er is nog steeds enige vooringenomenheid - aangezien het algoritme is geschreven door een mens met een subjectief idee van wat een structuur vormde - maar door een algoritme te gebruiken, zou die vooringenomenheid gemakkelijker kunnen worden opgemerkt en bekritiseerd."

De bevindingen werpen nieuw licht op de opkomst van deeltjesenergie. "Er is een voortdurend debat gaande over welke delen van het opnieuw verbindende gebied het meest bijdragen aan de energievoorziening van deeltjes en hoe, " zei Bergstedt. "We ontdekten dat de kleinschaligere plasmoïden die we in het herverbindingsgebied bestudeerden geen grote bijdrage leverden aan de totale energie die door de magnetische velden aan de deeltjes werd gegeven."

Deze bevinding was een verrassing. "We hadden allemaal verwacht dat de meeste energie zou plaatsvinden in deze plasmoïden, die de focus zijn van zowel de MMS-missie als het Magnetic Reconnection Experiment (MRX) van PPPL, " zei Hantao Ji, natuurkundige bij PPPL en adviseur voor Bergstedts eerstejaars onderzoeksproject, waaruit dit papier is voortgekomen. "Deze resultaten motiveerden de Facility for Laboratory Reconnection Experiment (FLARE) sterk, ons volgende stap-experiment dat bedoeld is om magnetische herverbinding te genereren in deze nieuwe regimes met veel meer structuren en alle turbulentie daartussenin."

De bevindingen waren opmerkelijk omdat de fysica zo complex is. Hoewel wetenschappers aanzienlijke vooruitgang hebben geboekt bij het begrijpen van herverbinding, er valt nog veel te leren. "En het verband tussen turbulentie en herverbinding begrijpen is nog moeilijker, " zei Jongsoo Yoo, een PPPL-fysicus en co-auteur van het artikel. "Kendra heeft goed werk geleverd door nieuwe inzichten in het proces te krijgen."

Omdat haar analyse alleen werd toegepast op een beperkt gebied van de magnetosfeer, Bergstedt hoopt dat het algoritme gebruikt gaat worden om andere regio's te bestuderen. "Het was zowel een zegen als een vloek dat ik naar zo'n kleine regio keek, "zei ze. "Het is een zegen omdat ik naar dit ene systeem als geheel kan kijken en de verschijnselen in deze regio niet kan vergelijken met de verschijnselen in een andere regio."