Los investigadores han descubierto un proceso de calentamiento previamente oculto que ayuda a explicar cómo la atmósfera que rodea al Sol, llamada «corona solar», puede ser mucho más caliente que la superficie solar que la emite.
El descubrimiento en el Laboratorio de Física de Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) podría mejorar la resolución de una variedad de acertijos astrofísicos como la formación de estrellas, el origen de los campos magnéticos a gran escala en el universo y la capacidad de predecir el espacio eruptivo. eventos climáticos que pueden interrumpir el servicio de telefonía celular y apagar las redes eléctricas en la Tierra. Comprender el proceso de calentamiento también tiene implicaciones para la investigación de la fusión.
Descubrimiento
«Nuestra simulación numérica directa es la primera en proporcionar una identificación clara de este mecanismo de calentamiento en el espacio 3D», dijo Chuanfei Dong, físico de PPPL y la Universidad de Princeton, quien desenmascaró el proceso al realizar 200 millones de horas de tiempo de computadora para la simulación más grande del mundo de de su tipo. «Los instrumentos actuales de telescopios y naves espaciales pueden no tener una resolución lo suficientemente alta como para identificar el proceso que ocurre a pequeña escala», dijo Dong, quien detalla el avance en la revista. Avances de la ciencia.
El ingrediente oculto es un proceso llamado reconexión magnética que separa y reconecta violentamente los campos magnéticos del plasma, la sopa de electrones y núcleos atómicos que forma la atmósfera solar. La simulación de Dong reveló cómo la rápida reconexión de las líneas del campo magnético convierte la energía turbulenta a gran escala en energía interna de pequeña venta. Como consecuencia, la energía turbulenta se convierte eficientemente en energía térmica a pequeña escala, sobrecalentando así la corona.
«Piense en poner crema en el café», dijo Dong. «Las gotas de crema pronto se convierten en espirales y rizos delgados. De manera similar, los campos magnéticos forman láminas delgadas de corriente eléctrica que se rompen debido a la reconexión magnética. Este proceso facilita la cascada de energía de gran escala a pequeña escala, haciendo que el proceso sea más eficiente en la turbulenta corona solar de lo que se pensaba anteriormente».
Cuando el proceso de reconexión es lento mientras que la cascada turbulenta es rápida, la reconexión no puede afectar la transferencia de energía entre escalas, dijo. Pero cuando la tasa de reconexión se vuelve lo suficientemente rápida como para superar la tasa de cascada tradicional, la reconexión puede mover la cascada hacia escalas pequeñas de manera más eficiente.
Lo hace rompiendo y volviendo a unir las líneas del campo magnético para generar cadenas de pequeñas líneas retorcidas llamadas plasmoides. Esto cambia la comprensión de la cascada de energía turbulenta que ha sido ampliamente aceptada durante más de medio siglo, dice el artículo. El nuevo hallazgo relaciona la tasa de transferencia de energía con la rapidez con que crecen los plasmoides, mejorando la transferencia de energía de escalas grandes a pequeñas y calentando fuertemente la corona en estas escalas.
El nuevo descubrimiento demuestra un régimen con un número de Reynolds magnético sin precedentes como en la corona solar. El gran número caracteriza la nueva tasa de transferencia de alta energía de la cascada turbulenta. «Cuanto más alto es el número magnético de Reynolds, más eficiente es la transferencia de energía impulsada por la reconexión», dijo Dong, quien se mudará a la Universidad de Boston para ocupar un puesto en la facultad.
200 millones de horas
«Chuanfei ha llevado a cabo la simulación de turbulencia más grande del mundo de su tipo que ha requerido más de 200 millones de CPU de computadora. [central processing units] en las instalaciones de Supercomputación Avanzada (NAS) de la NASA», dijo el físico de PPPL Amitava Bhattacharjee, profesor de ciencias astrofísicas de Princeton que supervisó la investigación. «Este experimento numérico ha producido evidencia indiscutible por primera vez de un mecanismo predicho teóricamente para un rango previamente desconocido. de cascada de energía turbulenta controlada por el crecimiento de los plasmoides.
«Su artículo en la revista de alto impacto Avances de la ciencia completa el programa computacional que comenzó con sus primeros resultados 2D publicados en Cartas de revisión física. Estos documentos forman una coda al impresionante trabajo que Chuanfei ha realizado como miembro del Centro de Heliofísica de Princeton», una instalación conjunta de Princeton y PPPL. «Estamos agradecidos por un PPPL LDRD [Laboratory Directed Research & Development] subvención que facilitó este trabajo, y al programa de computación de alto nivel (HEC) de la NASA por su generosa asignación de tiempo de computadora».
El impacto de este hallazgo en los sistemas astrofísicos en una variedad de escalas se puede explorar con naves espaciales y telescopios actuales y futuros. Desempaquetar el proceso de transferencia de energía a través de escalas será crucial para resolver misterios cósmicos clave, dijo el documento.
El financiamiento para el documento proviene de la Oficina de Ciencias (FES) del DOE y la NASA, con recursos informáticos proporcionados por el HEC de la NASA junto con el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, y Computational and Computational and Laboratorio de Sistemas de Información. Los coautores del artículo fueron investigadores de las universidades PPPL, Princeton y Columbia, y el Centro de Investigación Ames de la NASA.
Fuente de la historia:
Materiales proporcionado por DOE/Laboratorio de Física de Plasma de Princeton. Original escrito por John Greenwald. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
