Крупнейшее в мире моделирование турбулентности показывает поток энергии в астрофизической плазме

Открытие в Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США может улучшить решение множества астрофизических загадок, таких как звездообразование, происхождение крупномасштабных магнитных полей во Вселенной и способность предсказывать вулканические явления. пространство. Погодные явления, которые могут нарушить работу сотовой связи и электросетей на Земле. Понимание процесса нагрева также имеет значение для исследований термоядерного синтеза.

прорвать

сказал Чуанфэй Донг, физик из PPPL и Принстонского университета, который раскрыл процесс, запустив 200 миллионов часов компьютерного времени для крупнейшей в мире симуляции такого рода. «Существующие инструменты телескопа и космического корабля могут не иметь достаточно высокого разрешения, чтобы определить, какой процесс происходит в малых масштабах», — сказал Донг, который подробно описал прорыв в журнале. Научные достижения.

Скрытый компонент — это процесс, называемый магнитным пересоединением, который сильно разделяет и снова соединяет магнитные поля в плазме, супе из электронов и атомных ядер, составляющих солнечную атмосферу. Моделирование Донга показало, как быстро восстанавливаются силовые линии магнитного поля, которые преобразуют крупномасштабную турбулентную энергию в мелкомасштабную внутреннюю энергию. В результате турбулентная энергия эффективно преобразуется в тепловую энергию в малых масштабах, что приводит к чрезмерному нагреву короны.

«Подумай о добавлении сливок в кофе», — сказал Донг. «Капельки крема вскоре превращаются в волосы и тонкие косички. Точно так же магнитные поля образуют тонкие слои электрического тока, которые распадаются из-за магнитного пересоединения. Этот процесс облегчает энергетические каскады от большого масштаба к мелкому, делая процесс более эффективным в турбулентных условиях. солнечной короны, чем это было раньше».

Он сказал, что когда процесс пересоединения медленный, а возмущенная струна быстрая, пересоединение не может повлиять на передачу энергии через весы. Но когда скорость повторного подключения становится достаточно высокой, чтобы превысить скорость традиционных каскадов, повторное подключение может более эффективно перемещать цепь в сторону меньших масштабов.

Он делает это, разрывая и возвращая линии магнитного поля, чтобы создать цепочки крошечных скрученных линий, называемых плазмоидами. Это меняет понимание турбулентного энергетического континуума, которое было широко принято более полувека, говорится в документе. Новое открытие связывает скорость передачи энергии с тем, насколько быстро растут плазмоиды, способствуя передаче энергии от крупных масштабов к мелким и сильно нагревая корону в этих масштабах.

Новое открытие показывает систему с беспрецедентно большим магнитным числом Рейнольдса, как в солнечной короне. Большое число характеризует новую более высокую скорость передачи энергии неупорядоченной цепи. «Чем выше магнитное число Рейнольдса, тем эффективнее передача энергии за счет повторного соединения», — сказал Донг, который переводится в Бостонский университет на должность преподавателя.

200 миллионов часов

Компания Chuanfei реализовала крупнейшее в мире моделирование турбулентности, которое задействовало более 200 миллионов компьютерных процессоров. [central processing units] в Центре передовых суперкомпьютеров НАСА (NAS)», — сказал физик PPPL Амитава Бхаттачарджи, профессор астрофизических наук в Принстонском университете, который руководил исследованием. Этот численный эксперимент впервые предоставил неопровержимые доказательства теоретически предсказанного механизма ранее не обнаруженного масштаба. Из турбулентной энергетической цепочки контролируется рост плазмоидов.

Его статья находится в высокоимпактном журнале. Научные достижения Завершите вычислительную программу, начатую с ее предыдущими 2D-результатами, опубликованными в Физические обзорные письма. Эти документы представляют собой прогресс в замечательной работе, которую Чуанфей проделал в качестве члена Принстонского центра гелиофизики, «Принстон и PPPL Facility». Мы благодарны PPPL LDRD [Laboratory Directed Research & Development] Грант, который облегчил эту работу, и Программе передовых вычислений НАСА (HEC) за ее щедрое выделение компьютерного времени».

Влияние этого открытия на астрофизические системы в различных масштабах можно исследовать с помощью современных и будущих космических аппаратов и телескопов. В документе говорится, что раскрытие передачи энергии в разных масштабах будет иметь решающее значение для решения главных космических загадок.

Финансирование статьи поступает от Управления науки Министерства энергетики США (FES) и НАСА, а компьютерные ресурсы предоставляются НАСА HEC вместе с Национальным научно-вычислительным центром энергетических исследований, Учреждением научных пользователей Министерства энергетики и Лабораторией вычислений, спонсируемой NSF. Информационные системы. В соавторстве с исследователями из PPPL, Принстонского и Колумбийского университетов и Исследовательского центра Эймса НАСА.

Источник истории:

Материалы Представление о Лаборатория физики плазмы Министерства энергетики / Принстон. Оригинал Джона Гринвальда. Примечание. Контент можно изменить по стилю и длине.