Ist kein Fehlverhalten – Turbulenzen, Sonneneruptionen und Magnetismus

Was macht mehr Spaß als etwas, das sich schlecht benimmt? Wenn es um Solardynamik geht, wissen wir viel, aber es gibt viele Dinge, die wir noch nicht verstehen. Wenn beispielsweise eine mit Partikeln gefüllte Sonneneruption von der Sonne ausgeht, können ihre Magnetfeldlinien einige ziemlich unerwartete Dinge bewirken – wie z. B. das Aufteilen und anschließende schnelle Wiederverbindung. Nach dem Theorem des Flussgefrierens sollten diese magnetischen Linien einfach im Gleichschritt mit den Partikeln „wegfließen“. Sie sollten intakt bleiben, aber sie tun es nicht. Es ist nicht nur eine einfache Regel, gegen die sie verstoßen. Es ist ein Gesetz der Physik.

Was kann das erklären? In einem Artikel, der in der 23. Mai-Ausgabe von „Nature“ veröffentlicht wurde, hat ein interdisziplinäres Forschungsteam unter der Leitung eines mathematischen Physikers von Johns Hopkins möglicherweise gerade eine plausible Erklärung gefunden. Laut der Gruppe sind Turbulenzen der zugrunde liegende Faktor – die "gleiche Art von gewalttätiger Störung, die einen Passagierjet in der Atmosphäre stören kann" – oder die, die Ihr Bruder zurücklässt, nachdem er gebackene Bohnen gegessen hat. Mithilfe einer gut organisierten und logisch aufgebauten Computermodellierungstechnik konnten die Forscher simulieren, was passiert, wenn Magnetfeldlinien in einer Sonneneruption auf Turbulenzen treffen. Mit diesen Informationen konnten sie dann ihren Fall darlegen.

"Der Satz über das Einfrieren von Flüssen erklärt die Dinge oft sehr gut", sagte Gregory Eyink, Professor am Institut für Angewandte Mathematik und Statistik, der Hauptautor der Studie "Natur" war. „Aber in anderen Fällen scheitert es kläglich. Wir wollten herausfinden, warum dieser Fehler auftritt. “

Was ist der Satz über das Einfrieren von Flüssen? Vielleicht haben Sie von Hannes Alfvén gehört. Er war ein schwedischer Elektrotechniker, Plasmaphysiker und Gewinner des Nobelpreises für Physik 1970 für seine Arbeiten zur Magnetohydrodynamik (MHD). Er ist der Mann, der dafür verantwortlich ist, das zu erklären, was wir heute als Alfvén-Wellen kennen – eine niederfrequente Wanderschwingung der Ionen und des Magnetfelds im Plasma. Nun, vor etwa 70 Jahren kam ihm der Gedanke, dass magnetische Kraftlinien entlang einer Lokomotivflüssigkeit segeln, ähnlich wie Fadenschnipsel, die entlang eines Baches fließen. Es sollte für sie unmöglich sein, zu brechen und sich dann wieder anzuschließen. Sonnenphysiker haben jedoch festgestellt, dass dies bei Aktivitäten innerhalb einer besonders heftigen Sonneneruption nicht der Fall ist. In ihren Beobachtungen haben sie festgestellt, dass sich die Magnetfeldlinien innerhalb dieser Fackeln bis zur Bruchstelle erstrecken und sich dann in überraschend kurzer Zeit wieder verbinden können – nur 15 Minuten. Wenn dies geschieht, stößt es eine reichliche Menge an Energie aus, die wiederum die Fackel antreibt.

"Aber das Flussgefrierprinzip der modernen Plasmaphysik impliziert, dass dieser Prozess in der Sonnenkorona eine Million Jahre dauern sollte!" Eyink sagt animiert. "Ein großes Problem in der Astrophysik ist, dass niemand erklären kann, warum das Einfrieren von Flussmitteln in einigen Fällen funktioniert, in anderen jedoch nicht."

Natürlich wurde immer spekuliert, dass Turbulenzen die Hauptursache für das rätselhafte Verhalten gewesen sein könnten. Zeit für Nachforschungen? Sie wetten. Eyink schloss sich dann mit anderen Experten für Astrophysik, Maschinenbau, Datenmanagement und Informatik zusammen, die bei Johns Hopkins und anderen Institutionen tätig waren. "Dies war notwendigerweise eine äußerst kollaborative Anstrengung", sagte Eyink. „Alle haben ihr Fachwissen eingebracht. Niemand hätte dies erreichen können. “

Der nächste Schritt bestand darin, eine Computersimulation zu erstellen – eine Simulation, die den Plasmazustand der Sonneneruptionsaktivität und alle Nuancen der geladenen Teilchen unter verschiedenen Bedingungen duplizieren konnte. "Unsere Antwort war sehr überraschend", sagte Eyink. „Das Einfrieren des magnetischen Flusses gilt nicht mehr, wenn das Plasma turbulent wird. Die meisten Physiker erwarteten, dass das Einfrieren des Flusses eine noch größere Rolle spielen würde, wenn das Plasma besser leitend und turbulenter würde, aber tatsächlich bricht es vollständig zusammen. In einer noch größeren Überraschung stellten wir fest, dass die Bewegung der Magnetfeldlinien völlig zufällig wird. Ich meine nicht "chaotisch", sondern so unvorhersehbar wie die Quantenmechanik. Anstatt in einer geordneten, deterministischen Weise zu fließen, breiten sich die Magnetfeldlinien wie eine rauchende Rauchwolke aus. “

Natürlich glauben andere Solarexperten, dass es alternative Antworten für diese Regelverletzung innerhalb von Sonneneruptionen geben könnte, aber wie Eyink sagt: „Ich denke, wir haben ziemlich überzeugend argumentiert, dass Turbulenzen allein für das Brechen von Feldlinien verantwortlich sein können.“

Am aufregendsten ist die Zusammenarbeit der Teammitglieder aus so unterschiedlichen Disziplinen. Es war eine Gruppenarbeit, die Eyink dabei half, diese neue Theorie über das Rätsel der Sonneneruptionen zu entwickeln. "Wir haben bahnbrechende neue Datenbankmethoden verwendet, wie sie im Sloan Digital Sky Survey verwendet wurden, kombiniert mit Hochleistungs-Computertechniken und ursprünglichen mathematischen Entwicklungen", sagte er. "Die Arbeit erforderte eine perfekte Verbindung von Physik, Mathematik und Informatik, um einen grundlegend neuen Ansatz für die Durchführung von Forschung mit sehr großen Datensätzen zu entwickeln."

Zusammenfassend stellte Eyink fest, dass diese Art von Forschungsarbeit uns ein besseres Verständnis von Sonneneruptionen und koronalen Massenauswürfen vermitteln kann. Wie wir wissen, kann diese Art von gefährlichem „Weltraumwetter“ für Astronauten schädlich sein, Kommunikationssatelliten stören und sogar für die Abschaltung von Stromnetzen auf der Erde verantwortlich sein. Und Sie wissen, was das bedeutet … kein Satellitenfernsehen und kein Strom, um es anzusehen. Aber das ist in Ordnung.

"Ich bleibe nicht lange draußen. Es ist mir egal zu gehen. Ich bin gegen acht zu Hause … Nur ich und mein Radio. Benimm dich nicht schlecht. Errette meine Liebe zu dir. "

Quelle der Originalgeschichte: Pressemitteilung der Johns Hopkins University.

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