Η μεγαλύτερη προσομοίωση αναταράξεων στον κόσμο αποκαλύπτει τη ροή της ενέργειας

Οι ερευνητές αποκάλυψαν μια προηγουμένως κρυμμένη διαδικασία θέρμανσης που βοηθά να εξηγηθεί πώς η ατμόσφαιρα που περιβάλλει τον Ήλιο που ονομάζεται «ηλιακό στέμμα» μπορεί να είναι πολύ πιο ζεστή από την ηλιακή επιφάνεια που τον εκπέμπει.

Η ανακάλυψη στο Εργαστήριο Φυσικής Πλάσματος Πρίνστον (PPPL) του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE) θα μπορούσε να βελτιώσει την αντιμετώπιση μιας σειράς αστροφυσικών παζλ όπως ο σχηματισμός άστρων, η προέλευση μαγνητικών πεδίων μεγάλης κλίμακας στο σύμπαν και η ικανότητα πρόβλεψης του εκρηκτικού χώρου. καιρικά φαινόμενα που μπορούν να διαταράξουν την υπηρεσία κινητής τηλεφωνίας και να σβήσουν τα δίκτυα ρεύματος στη Γη. Η κατανόηση της διαδικασίας θέρμανσης έχει επίσης επιπτώσεις στην έρευνα σύντηξης.

Ανακάλυψη

«Η άμεση αριθμητική μας προσομοίωση είναι η πρώτη που παρέχει σαφή αναγνώριση αυτού του μηχανισμού θέρμανσης στον τρισδιάστατο χώρο», δήλωσε ο Chuanfei Dong, ένας φυσικός στο PPPL και στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον που αποκάλυψε τη διαδικασία πραγματοποιώντας 200 εκατομμύρια ώρες υπολογιστικού χρόνου για τη μεγαλύτερη προσομοίωση στον κόσμο. ειναι ευγενικο. «Τα τρέχοντα όργανα τηλεσκοπίων και διαστημικών σκαφών μπορεί να μην έχουν αρκετά υψηλή ανάλυση για να αναγνωρίσουν τη διαδικασία που συμβαίνει σε μικρή κλίμακα», δήλωσε ο Dong, ο οποίος αναφέρει λεπτομερώς την ανακάλυψη στο περιοδικό. Προόδους της Επιστήμης.

Το κρυμμένο συστατικό είναι μια διαδικασία που ονομάζεται μαγνητική επανασύνδεση που διαχωρίζει και επανασυνδέει βίαια τα μαγνητικά πεδία στο πλάσμα, τη σούπα των ηλεκτρονίων και των ατομικών πυρήνων που σχηματίζει την ηλιακή ατμόσφαιρα. Η προσομοίωση του Dong αποκάλυψε πώς η ταχεία επανασύνδεση των γραμμών του μαγνητικού πεδίου μετατρέπει την τυρβώδη ενέργεια μεγάλης κλίμακας σε εσωτερική ενέργεια μικρής πώλησης. Ως αποτέλεσμα, η τυρβώδης ενέργεια μετατρέπεται αποτελεσματικά σε θερμική ενέργεια σε μικρές κλίμακες, υπερθερμαίνοντας έτσι το στέμμα.

«Σκεφτείτε να βάλετε κρέμα στον καφέ», είπε ο Dong. «Οι σταγόνες της κρέμας σύντομα γίνονται στρόβιλοι και λεπτές μπούκλες. Ομοίως, τα μαγνητικά πεδία σχηματίζουν λεπτά φύλλα ηλεκτρικού ρεύματος που διασπώνται λόγω μαγνητικής επανασύνδεσης. Αυτή η διαδικασία διευκολύνει τον ενεργειακό καταρράκτη από μεγάλης κλίμακας σε μικρής κλίμακας, καθιστώντας τη διαδικασία πιο αποτελεσματική στο ταραχώδη ηλιακό στέμμα από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως».

Όταν η διαδικασία επανασύνδεσης είναι αργή ενώ ο τυρβώδης καταρράκτης είναι γρήγορος, η επανασύνδεση δεν μπορεί να επηρεάσει τη μεταφορά ενέργειας σε όλη την κλίμακα, είπε. Αλλά όταν ο ρυθμός επανασύνδεσης γίνει αρκετά γρήγορος ώστε να υπερβαίνει τον παραδοσιακό ρυθμό καταρράκτη, η επανασύνδεση μπορεί να μετακινήσει τον καταρράκτη σε μικρές κλίμακες πιο αποτελεσματικά.

Αυτό το κάνει σπάζοντας και επανασυνδέοντας τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου για να δημιουργήσει αλυσίδες μικρών στριμμένων γραμμών που ονομάζονται πλασμοειδή. Αυτό αλλάζει την κατανόηση του ταραχώδους ενεργειακού καταρράκτη που είναι ευρέως αποδεκτό για περισσότερο από μισό αιώνα, λέει η εφημερίδα. Το νέο εύρημα συνδέει τον ρυθμό μεταφοράς ενέργειας με το πόσο γρήγορα αναπτύσσονται τα πλασμοειδή, ενισχύοντας τη μεταφορά ενέργειας από μεγάλες σε μικρές κλίμακες και θερμαίνοντας έντονα το στέμμα σε αυτές τις κλίμακες.

Η νέα ανακάλυψη καταδεικνύει ένα καθεστώς με έναν πρωτοφανή μαγνητικό αριθμό Reynolds όπως στο ηλιακό στέμμα. Ο μεγάλος αριθμός χαρακτηρίζει τον νέο υψηλό ρυθμό μεταφοράς ενέργειας του τυρβώδους καταρράκτη. «Όσο μεγαλύτερος είναι ο μαγνητικός αριθμός Reynolds, τόσο πιο αποτελεσματική είναι η μεταφορά ενέργειας που βασίζεται στην επανασύνδεση», είπε ο Dong, ο οποίος μετακομίζει στο Πανεπιστήμιο της Βοστώνης για να αναλάβει μια θέση σχολής.

200 εκατομμύρια ώρες

«Η Chuanfei πραγματοποίησε τη μεγαλύτερη προσομοίωση αναταράξεων στον κόσμο του είδους της που έχει πάρει πάνω από 200 εκατομμύρια CPU υπολογιστών [central processing units] στις εγκαταστάσεις της NASA Advanced Supercomputing (NAS)», δήλωσε ο φυσικός PPPL Amitava Bhattacharjee, καθηγήτρια αστροφυσικών επιστημών του Πρίνστον που επέβλεψε την έρευνα. «Αυτό το αριθμητικό πείραμα παρήγαγε για πρώτη φορά αδιαμφισβήτητες αποδείξεις ενός θεωρητικά προβλεπόμενου μηχανισμού για ένα εύρος τυρβώδους ενέργειας που δεν είχε ανακαλυφθεί προηγουμένως που ελέγχεται από την ανάπτυξη των πλασμοειδών.

«Η εργασία του στο περιοδικό υψηλής επιρροής Προόδους της Επιστήμης ολοκληρώνει το υπολογιστικό πρόγραμμα που ξεκίνησε με τα προηγούμενα δισδιάστατα αποτελέσματά του που δημοσιεύτηκαν Επιστολές Φυσικής Ανασκόπησης. Αυτά τα έγγραφα αποτελούν έναν κώδικα για το εντυπωσιακό έργο που έχει κάνει ο Chuanfei ως μέλος του Κέντρου Ηλιοφυσικής του Πρίνστον», μιας κοινής εγκατάστασης του Πρίνστον και του PPPL. «Είμαστε ευγνώμονες για ένα PPPL LDRD [Laboratory Directed Research & Development] επιχορήγηση που διευκόλυνε αυτό το έργο και στο πρόγραμμα της NASA High-End Computing (HEC) για τη γενναιόδωρη κατανομή του χρόνου στον υπολογιστή».

Ο αντίκτυπος αυτού του ευρήματος σε αστροφυσικά συστήματα σε μια σειρά από κλίμακες μπορεί να διερευνηθεί με τρέχοντα και μελλοντικά διαστημόπλοια και τηλεσκόπια. Η αποσυσκευασία της διαδικασίας μεταφοράς ενέργειας σε κλίμακες θα είναι κρίσιμη για την επίλυση βασικών κοσμικών μυστηρίων, ανέφερε η εφημερίδα.

Η χρηματοδότηση για την εργασία προέρχεται από το DOE Office of Science (FES) και τη NASA, με πόρους υπολογιστών που παρέχονται από το NASA HEC μαζί με το National Energy Research Scientific Computing Centre, μια εγκατάσταση χρηστών του DOE Office of Science και το Computational and που χρηματοδοτείται από το NSF Εργαστήριο Πληροφοριακών Συστημάτων. Συν-συγγραφείς της εργασίας ήταν ερευνητές στα Πανεπιστήμια PPPL, Princeton και Columbia και στο Ερευνητικό Κέντρο Ames της NASA.

Το PPPL, στην πανεπιστημιούπολη Forrestal του Πανεπιστημίου Πρίνστον στο Plainsboro, NJ, είναι αφιερωμένο στη δημιουργία νέας γνώσης σχετικά με τη φυσική του πλάσματος – εξαιρετικά καυτά, φορτισμένα αέρια – και στην ανάπτυξη πρακτικών λύσεων για τη δημιουργία ενέργειας σύντηξης. Το Εργαστήριο διοικείται από το Πανεπιστήμιο για το Γραφείο Επιστήμης του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ, το οποίο είναι ο μοναδικός μεγαλύτερος υποστηρικτής της βασικής έρευνας στις φυσικές επιστήμες στις Ηνωμένες Πολιτείες και εργάζεται για να αντιμετωπίσει μερικές από τις πιο πιεστικές προκλήσεις της εποχής μας. Για περισσότερες πληροφορίες, επισκεφθείτε ενέργεια.gov/science.

---

---