Neue Theorie erklärt, wie sich im Sonnenwind magnetische Spitzkehren bilden

Eine neue Studie entwickelt eine Theorie darüber, wie magnetische Serpentinen um die Sonne entstehen. Dieses quantitative Modell kann verwendet werden, um Magnetfeldschwankungen vorherzusagen und möglicherweise die Erwärmung und Beschleunigung des Sonnenwinds zu erklären.

Der Hauptautor Dr. Gabor Toth arbeitete mit Dr. Bart van der Holst vom Department of Climate and Space Sciences and Engineering der University of Michigan und Dr. Marco Velli von der UCLA zusammen, um die Studie zu veröffentlichen. „Theorie der magnetischen Rückschaltungen vollständig durch Parker Solar Probe-Beobachtungen gestützt“ In Das Astrophysikalische Journal.

Magnetische Spitzkehren sind Umkehrungen des radialen Magnetfeldes im Sonnenwind, der von der Sonnenoberfläche ausgeht. Magnetische Spitzkehren, die erstmals in den siebziger Jahren sporadisch beobachtet wurden, wurden kürzlich von der Parker Solar Probe als typische Komponente von Sonnenwindschwankungen in der inneren Heliosphäre identifiziert.

Beobachtungen der Parker Solar Probe ergaben, dass diese magnetischen Serpentinen aus sphärisch polarisierten Alfvén-Wellen bestehen, aber bisher hatten Wissenschaftler keine Vorstellung davon, wie diese Serpentinen entstanden.

Die neue Studie liefert eine einfache und prädiktive Theorie für die Entstehung dieser magnetischen Umkehrungen und umfasst Arbeiten von Forschern des Department of Climate and Space Sciences and Engineering der University of Michigan und Dr. Marco Velli, dem leitenden Wissenschaftler der Parker Solar Probe-Mission.

Was Forscher in den Daten entdeckten, die die Parker Solar Probe nach ihrem Vorbeiflug im Jahr 2018 zurücksendete, entsprach nicht ihren Erwartungen.

„Wir haben erwartet, dass die radiale Komponente des Magnetfelds ungefähr konstant ist und die Schwingungen senkrecht dazu verlaufen“, sagte Toth. „Aber dann zeigte die Parker Solar Probe, dass sie tatsächlich in radialer Richtung oszilliert.“

Er wollte einen Weg finden, zu erklären, wie das geschah und den Grund dafür. Zum ersten Mal seit Jahren fühlte sich Toth dazu inspiriert, zur theoretischen Arbeit zurückzukehren.

„Sie haben eine Alfvén-Welle, die senkrecht zum Magnetfeld verläuft, und die Idee ist, dass sie verzerrt wird und in verschiedene Richtungen zu schwingen beginnt“, sagte Toth. „Das liegt daran, dass die Wellengeschwindigkeiten nicht konstant sind. Ursprünglich dachten wir, dass es auf die Geschwindigkeit des Plasmas ankommt, aber Bart wies darauf hin, dass dies stattdessen auf die Wellengeschwindigkeit zurückzuführen sei.“

Gemeinsam mit seinem Forschungsteam entwickelte er eine qualitative und quantitative Erklärung dafür, was in der inneren Heliosphäre der Sonne passiert.

„Zuallererst ist die Forschung insofern qualitativ, als wir diesen Prozess mit Näherungsformeln und vereinfachten numerischen Simulationen beschreiben. Nach der Modellierung und Theorie habe ich viel Zeit damit verbracht, die Beobachtungen zu betrachten, um zu überprüfen, ob sie mit den Vorhersagen der Theorie übereinstimmen.“ . Es gibt ziemlich starke Beweise dafür, dass dieser Prozess tatsächlich stattfindet.“

„Wir können die Wellengeschwindigkeit tatsächlich messen und stellen fest, dass sie variiert. Wo man die Serpentine sieht, ist die gleiche Stelle, an der man sehen kann, dass die Wellengeschwindigkeit variiert“, sagte Toth.

„Diese Wellen entstehen in der Nähe der Sonnenoberfläche und werden Teil des Sonnenwinds. Anfangs schwanken das Magnetfeld und die Geschwindigkeit stark in horizontaler Richtung, aber die Wellen werden durch die variierende Wellengeschwindigkeit und schließlich durch das radiale Magnetfeld verzerrt.“ überschlägt sich und bildet eine Serpentine.“

Neue Daten der Parker Solar Probe machten die Forschung möglich. Die Sonde lieferte Magnetfeldmessungen und Plasmamessungen mit hoher Auflösung in noch nie dagewesener Nähe zur Sonne. Toth nutzte Beobachtungen der Dichte, Geschwindigkeit, Temperatur und des Magnetfelds als Grundlage für seine Forschung.

„Das war sehr wichtig, denn wir haben nicht nur gesehen, dass das Magnetfeld oszilliert, sondern wir haben auch gesehen, dass die Geschwindigkeit des Plasmas oszilliert und sie gemeinsam oszillieren. Sie sind also proportional zueinander“, sagte Toth. „Wenn man nur das Magnetfeld oder nur das Plasma misst, könnten wir diesen Zusammenhang nicht feststellen.“

Das Hauptziel der Parker Solar Probe bestand darin, herauszufinden, wie der Sonnenwind erhitzt und beschleunigt wird und nahe genug an der Sonne vorbeifliegt, um die Phänomene beobachten zu können.

„Die Parker Solar Probe hat bewiesen, dass das, was wir glaubten, nicht ganz richtig war. Jetzt haben wir ein besseres Verständnis darüber, was beobachtet wurde und wie es entstand“, sagte Toth. „Der nächste Schritt besteht darin, herauszufinden, ob dies unsere Theorie des Sonnenwinds verändert. Es könnte durchaus unsere Modelle verändern.“

Die Hauptanwendung dieser Modelle ist die Vorhersage des Weltraumwetters, um die Heliosphäre besser zu verstehen und sich auf die starken Auswirkungen vorzubereiten, die Weltraumwetterereignisse auf Raumfahrzeuge, Funkkommunikation, GPS und sogar das Stromnetz haben können. Forscher an der University of Michigan und darüber hinaus arbeiten bereits am Space Weather Modeling Framework zusammen, das darauf abzielt, bessere Vorhersagen für Weltraumwetterereignisse zu ermöglichen.

„Dies ist ein wesentlicher Bestandteil für die zukünftige Entwicklung der Weltraumwetter- und Sonnenwindmodelle und für die Art und Weise, wie die Serpentinen einbezogen werden können“, sagte van der Holst. „Man braucht zunächst einen mathematischen Rahmen und ein Verständnis der Serpentinen, bevor man sich ein umfassenderes Bild davon machen kann, wie man es in das Sonnenwindmodell integrieren und den koronalen Erwärmungsmechanismus erklären kann.“

Eines der aktuellen Modelle im Space Weather Modeling Framework ist das Alfvén Wave Solar-Atmosphere Model (AWSoM), das darauf abzielt, die Geheimnisse der Alfvén-Wellen zu lüften.

„In der Modellierung, die wir jetzt haben, gehen wir im Wesentlichen davon aus, dass Alfvén-Wellen für die koronale Erwärmung verantwortlich sind“, sagte van der Holst. „Diese neue Theorie passt gut in diesen Rahmen.“

Die neue Forschung liefert ein besseres Verständnis darüber, wie magnetische Spitzkehren entstehen, was zu einem tieferen Verständnis der Turbulenzen im Sonnenwind, der Erwärmung in der inneren Heliosphäre und schließlich zu besseren Weltraumwettermodellen führen könnte.

„Es gibt zwei Hauptrichtungen, in die wir diese Arbeit leiten können“, sagte Toth. „Wir wollen eine vollständige dreidimensionale numerische Modellierung von Serpentinen durchführen und die Arbeit um Turbulenzen erweitern. Anschließend wollen wir untersuchen, wie die Bildung der Serpentinen die Theorie der Alfvén-Wellenerwärmung verändert.“