A maior simulação de turbulência do mundo revela o fluxo de energia em plasmas astrofísicos – ScienceDaily

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Pesquisadores descobriram um processo de aquecimento anteriormente oculto que ajuda a explicar como a atmosfera que envolve o Sol, chamada de “coroa solar”, pode ser muito mais quente do que a superfície solar que a emite.

A descoberta no Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) pode melhorar o enfrentamento de uma série de quebra-cabeças astrofísicos, como a formação de estrelas, a origem de campos magnéticos de grande escala no universo e a capacidade de prever o espaço eruptivo. eventos climáticos que podem interromper o serviço de telefonia celular e bloquear as redes elétricas da Terra. Compreender o processo de aquecimento também tem implicações para a pesquisa de fusão.

Avanço

“Nossa simulação numérica direta é a primeira a fornecer uma identificação clara desse mecanismo de aquecimento no espaço 3D”, disse Chuanfei Dong, físico da PPPL e da Universidade de Princeton, que desmascarou o processo conduzindo 200 milhões de horas de tempo de computador para a maior simulação mundial de seu tipo.”Os instrumentos atuais de telescópios e espaçonaves podem não ter resolução alta o suficiente para identificar o processo que ocorre em pequenas escalas”, disse Dong, que detalha a descoberta na revista Avanços da ciência.

O ingrediente oculto é um processo chamado reconexão magnética que separa e reconecta violentamente campos magnéticos no plasma, a sopa de elétrons e núcleos atômicos que forma a atmosfera solar. A simulação de Dong revelou como a rápida reconexão das linhas do campo magnético transforma a energia turbulenta em grande escala em energia interna de pequena escala. Como consequência, a energia turbulenta é eficientemente convertida em energia térmica em pequenas escalas, superaquecendo a coroa.

“Pense em colocar creme no café”, disse Dong. “As gotas de creme logo se tornam espirais e cachos finos. Da mesma forma, os campos magnéticos formam finas folhas de corrente elétrica que se quebram devido à reconexão magnética. Esse processo facilita a cascata de energia de grande escala para pequena escala, tornando o processo mais eficiente na turbulenta coroa solar do que se pensava anteriormente.”

Quando o processo de reconexão é lento enquanto a cascata turbulenta é rápida, a reconexão não pode afetar a transferência de energia entre as escalas, disse ele. Mas quando a taxa de reconexão torna-se rápida o suficiente para exceder a taxa de cascata tradicional, a reconexão pode mover a cascata para pequenas escalas com mais eficiência.

Ele faz isso quebrando e reunindo as linhas do campo magnético para gerar cadeias de pequenas linhas torcidas chamadas plasmóides. Isso muda a compreensão da cascata de energia turbulenta que tem sido amplamente aceita por mais de meio século, diz o artigo. A nova descoberta vincula a taxa de transferência de energia à rapidez com que os plasmoides crescem, aumentando a transferência de energia de grandes para pequenas escalas e aquecendo fortemente a coroa nessas escalas.

A nova descoberta demonstra um regime com um número de Reynolds magnético sem precedentes, como na coroa solar. O grande número caracteriza a nova alta taxa de transferência de energia da cascata turbulenta. “Quanto maior o número de Reynolds magnético, mais eficiente é a transferência de energia impulsionada pela reconexão”, disse Dong, que está se mudando para a Universidade de Boston para assumir um cargo de professor.

200 milhões de horas

“Chuanfei realizou a maior simulação de turbulência do mundo desse tipo, que ocupou mais de 200 milhões de CPUs de computador [central processing units] nas instalações de Supercomputação Avançada da NASA (NAS)”, disse o físico Amitava Bhattacharjee da PPPL, professor de ciências astrofísicas de Princeton que supervisionou a pesquisa. cascata de energia turbulenta controlada pelo crescimento dos plasmóides.

“Seu artigo na revista de alto impacto Avanços da ciência completa o programa computacional que começou com seus resultados 2D anteriores publicados em Cartas de revisão física. Esses papéis formam uma coda para o trabalho impressionante que Chuanfei fez como membro do Princeton Center for Heliophysics”, uma instalação conjunta de Princeton e PPPL. “Somos gratos por um PPPL LDRD [Laboratory Directed Research & Development] concessão que facilitou este trabalho, e ao programa NASA High-End Computing (HEC) por sua generosa alocação de tempo de computador.”

O impacto dessa descoberta em sistemas astrofísicos em várias escalas pode ser explorado com espaçonaves e telescópios atuais e futuros. Descompactar o processo de transferência de energia entre escalas será crucial para resolver os principais mistérios cósmicos, disse o jornal.

O financiamento para o artigo vem do DOE Office of Science (FES) e da NASA, com recursos de computador fornecidos pelo NASA HEC junto com o National Energy Research Scientific Computing Center, uma instalação do usuário do DOE Office of Science e o Centro Computacional e Laboratório de Sistemas de Informação. Os co-autores do artigo foram pesquisadores das universidades PPPL, Princeton e Columbia e do NASA Ames Research Center.

Fonte da história:

Materiais fornecido por DOE/Laboratório de Física de Plasma de Princeton. Original escrito por John Greenwald. Observação: o conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e tamanho.



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