湍流模擬揭秘電漿體中能量流動

美國能源部普林斯頓電漿體物理實驗室研究人員發現了一种太陽日冕加熱過程，它有助解釋為什麼圍繞太陽的大氣層——日冕會比太陽表面熱得多。這一發現或會提高解決一系列天體物理難題的能力，例如恒星形成、宇宙中大規模磁場的起源，以及預測可能擾亂手機服務和地球電網停電的空間天氣事件的能力。最新一期《科學進展》雜誌詳細介紹了這一突破。

研究人員表示，直接數值模擬首次在3D空間提供了這種加熱機制的清晰識別，2億小時的世界最大規模電腦模擬揭示了這一過程。

太陽日冕加熱的過程是一個被稱為磁重聯的過程，它分離並強烈地重新連接電漿體中的磁場，即形成太陽大氣層的電子和原子核的湯。此次模擬揭示了磁力線的快速重新連接如何將大規模的湍流能量轉化為少量的內部能量。結果，湍流能量在小尺度上被有效地轉化為熱能，從而使日冕過熱。

在咖啡里加入奶油，奶油滴很快就會變成螺旋狀和細長的捲曲狀。同樣，磁場形成了薄薄的電流片，由於磁重聯而分解。這一過程促進了從大範圍到小範圍的能量級聯，使這一過程比想像的更有效率。當重新連接過程緩慢而湍流級聯很快時，重新連接不會影響跨尺度的能量轉移。但是，當重聯速度變得足夠快，超過傳統的級聯速度時，重聯可更有效地將級聯移向小尺度。

它通過斷裂和重新連接磁力線來産生被稱為電漿體的小扭曲線鏈來實現這一點。這改變了半個多世紀以來被廣泛接受的湍流能量級聯的理解。這項新發現將能量轉移率與電漿體團生長的速度聯繫在一起，加強了從大尺度到小尺度的能量轉移，並在這些尺度上強烈加熱日冕。

未來，科學家可使用航太器和望遠鏡探索這一發現對一系列尺度的天體物理系統的影響。研究人員表示，解開跨尺度的能量轉移過程將是解開宇宙謎團的關鍵。