Турбулентность, которая начинается на уровне частиц, может напрямую изменить крупномасштабное равновесие плазменной системы.
Это открытие может способствовать развитию технологии ядерного синтеза. (Изображение)
Монти Ракусен/Gettyimages
Исследователи из Южной Кореи представили экспериментальное доказательство «многомасштабной связи» в плазме. Исследование демонстрирует, как микроскопические события могут вызывать крупномасштабные изменения в этом состоянии вещества.
Одной из задач физики плазмы является понимание многомасштабной связи — процесса, в котором турбулентность на уровне частиц масштабируется и влияет на всю плазменную систему.
«Кросс-масштабная связь между магнитогидродинамикой (МГД) и не-МГД масштабами важна для интерпретации наблюдений за взрывными событиями в природе», — говорят исследователи в новом исследовании.
«Однако то, как эта многомасштабная физика влияет на резкое начало пересоединения, остается неизвестным».
Результаты исследования имеют значение для развития технологий ядерного синтеза и астрофизических исследований.
Эксперимент с использованием VEST
Исследование сосредоточено на плазме — состоянии вещества, в котором высокие температуры заставляют электроны отделяться от атомных ядер, создавая среду заряженных частиц.
Целью данного исследования было продемонстрировать прямую причинно-следственную связь между микроскопической активностью и макроскопическими структурными изменениями — явлением, которое не полностью объясняется существующими теориями магнитогидродинамики (МГД), которые рассматривают плазму как единую проводящую жидкость.
Группа провела свой эксперимент, используя сферическую тороидальную экспериментальную установку ядерного синтеза (VEST) в Сеульском национальном университете.
«Эксперимент проводится с использованием двух магнитных канатов в трехмерной (3D) спиральной конфигурации магнитного поля в универсальном экспериментальном сферическом торе (VEST)», — поясняется в исследовании.
«Два отдельных электронных пучка запускаются вдоль линий магнитного поля и формируют отдельные магнитные жгуты со скоростью дрейфа, превышающей скорость Альвена окружающей среды, что эффективно вызывает магнитную турбулентность посредством неустойчивостей, вызываемых пучком».
Удивительные и многообещающие результаты
Экспериментальные результаты были проанализированы и подтверждены с помощью моделирования частиц, выполненного на суперкомпьютере в KFE.
Эксперимент выявил чёткую последовательность событий. Возникшая микротурбулентность привела к процессу, называемому магнитным пересоединением, при котором линии магнитного поля перестраиваются, преобразуя магнитную энергию в тепловую. Это пересоединение, в свою очередь, привело к слиянию двух отдельных магнитных жгутов в единую, более крупную структуру.
«Экспериментальные наблюдения, включая появление энергичных частиц, повышенную температуру ионов и изменения характеристик потоковых веревок, позволяют предположить, что турбулентность, вызванная пучком, приводит к трехмерному (3D) пересоединению», — подчеркивают исследователи.
«Насколько нам известно, впервые наблюдается трехмерное пересоединение за счет увеличения турбулентной мощности в не-МГД режиме».
Этот результат продемонстрировал, что турбулентность, возникающая на уровне частиц, может напрямую влиять на крупномасштабное равновесие плазменной системы. Наблюдаемый процесс включал стадии генерации турбулентности, слияния жгутов, разрушения равновесия и восстановления.
Последствия для термоядерного синтеза и астрофизики
Для развития термоядерного синтеза это открытие обеспечивает более глубокое понимание стабильности плазмы. Управление плазмой необходимо для поддержания термоядерной реакции, а знание того, как турбулентность может вызывать крупномасштабные изменения, может помочь в разработке стратегий поддержания стабильного состояния.
В астрофизике эти результаты могут помочь объяснить данные наблюдений. Энергетические спектры, измеренные во время эксперимента по магнитному пересоединению, были аналогичны наблюдаемым в космической плазме, например, во время солнечных вспышек. Таким образом, лабораторные результаты могут служить моделью для изучения подобных астрономических явлений.
«Магнитные канаты, представляющие собой токонесущую структуру плазмы, помещенную в магнитное поле, играют важную роль в астрофизической и лабораторной плазме», — пришел к выводу авторы исследования.
Sourse: interestingengineering.com
