Солнце постоянно выбрасывает в сторону Земли потоки раскалённой плазмы — заряженных частиц, которые могут серьёзно влиять на работу спутников связи, энергетических сетей и другой критической инфраструктуры. Учёные из Принстонской лаборатории физики плазмы Министерства энергетики США и Принстонского университета совершили важный шаг вперёд в понимании этих процессов. Их открытие, основанное на новой компьютерной модели, способно значительно улучшить прогнозирование так называемой космической погоды и помочь в защите технологических систем.
Ключевым инструментом исследования стала инновационная компьютерная модель, способная с высокой точностью предсказывать поведение плазмы в солнечной короне — внешнем слое атмосферы Солнца. Интересно, что первоначальный импульс для её создания дали разработки в области управляемого термоядерного синтеза, а именно модели, описывающие поведение плазмы в токамаках — установках для получения энергии, имитирующих процессы в недрах звёзд.
Термоядерный синтез — это процесс слияния лёгких атомных ядер, который служит источником энергии для Солнца и звёзд. Он происходит в состоянии плазмы, чрезвычайно горячей ионизированной материи. Воспроизведение управляемого термоядерного синтеза на Земле — одна из главных задач современной науки, так как это открыло бы доступ к практически неисчерпаемому и чистому источнику энергии.
Магнитные поля и солнечные извержения
Принстонские исследователи сосредоточились на изучении сложной структуры магнитных полей, которые пронизывают солнечную поверхность. При определённых условиях магнитные петли, выходящие из Солнца, могут стать нестабильными и вызвать мощные выбросы корональной массы — гигантские облака плазмы и магнитного поля, устремляющиеся в космическое пространство. Достигая Земли, эти частицы взаимодействуют с её магнитосферой, порождая полярные сияния, но также создавая риски для энергосистем и систем связи.
«Чтобы предсказывать космическую погоду, нам необходимо досконально понимать причины этих солнечных извержений», — поясняет Эндрю Альт, аспирант Принстонской программы по физике плазмы.
Новая модель базируется на передовом математическом методе, который учитывает недавно открытый механизм нестабильности. Учёные обнаружили, что ключевую роль может играть так называемая «торальная нестабильность», способная привести к разрыву магнитных петель и последующему мощному выбросу плазмы.
Эта нестабильность ослабляет силы, удерживающие магнитные «верёвки» у поверхности Солнца. Как только их сдерживающий эффект уменьшается, другие силы заставляют структуры расширяться и отрываться. «Точность, с которой наша модель предсказывает поведение магнитных канатов, указывает на то, что в перспективе этот метод может лечь в основу улучшенных систем прогноза космической погоды», — отмечает Альт.
От лаборатории к Солнцу: новый подход к моделированию
Важным достижением стал разработанный учёными метод более точного переноса лабораторных данных на условия, царящие на Солнце.
Обратите внимание: Астероид Апофис сменил траекторию, теперь он новая угроза.
Предыдущие модели часто полагались на упрощающие расчёты допущения, которые не всегда корректно отражали реальную физику плазмы. Новый подход минимизирует такие допущения и опирается в большей степени на необработанные данные. «Предположения, заложенные в старых моделях, исключали важные физические эффекты, которые мы хотим учитывать, — объясняет Альт. — Отказываясь от них, мы можем делать прогнозы с гораздо более высокой точностью».
Эксперименты проводились на установке MRX (Magnetic Reconnection Experiment) в PPPL, предназначенной для изучения процессов магнитного пересоединения — взрывного разрыва и перестройки магнитных линий в плазме. Внутри этой бочкообразной машины создавались искусственные магнитные канаты. Однако условия в лаборатории и на Солнце различаются (например, в лаборатории плазма удерживается в металлическом сосуде), поэтому учёным пришлось адаптировать свои математические инструменты.
«На Солнце существуют условия, которые невозможно в точности воспроизвести в лаборатории, — говорит профессор Принстонского университета Ханьтао Цзи, консультировавший исследователей. — Поэтому мы корректируем уравнения, чтобы учесть наличие или отсутствие определённых физических свойств. Наша цель — сравнивать сопоставимые вещи, чтобы гарантировать точность выводов».
Значение для энергетики будущего
Открытия, связанные с поведением колеблющейся плазмы и магнитным пересоединением, имеют значение не только для астрофизики. Эти же процессы происходят внутри токамаков — установок для термоядерного синтеза. Более глубокое понимание механизмов нестабильности может помочь учёным научиться лучше контролировать плазму в реакторах будущего, что является ключом к созданию эффективных термоядерных электростанций.
Спасибо за внимание!
Друзья, подписывайтесь на раздел и ставьте лайки. Буду очень благодарен Вам. А также буду видеть, что мой труд не напрасен. Пишите в комментариях, была ли интересна тема для Вас.
До новых встреч!
Больше интересных статей здесь: Космос.
Источник статьи: Новая компьютерная модель помогает перенести солнце в лабораторию.