Waarom is de zonnewind heter dan verwacht? Supercomputer lost oud raadsel over ruimteweer op
Wetenschappers vragen zich al lang af waarom de zonnewind, de uitbarstingen van heet gas van de zon, niet snel afkoelt. Als de zonnewind de aarde bereikt, is hij nog 10 keer heter dan verwacht. Met simulaties op een supercomputer heeft een team nu ontdekt dat 'herverbindingen' van magnetische veldlijnen daarvoor verantwoordelijk zijn. Het team zal de simulaties vergelijken met waarnemingen van de Solar Orbiter, in de hoop dat die hun bevindingen zullen bevestigen en definitief uitsluitsel zullen geven.
De zonnewind is een stroom van plasma, geladen deeltjes, die constant door de zon in het zonnestelsel worden uitgestoten. De deeltjes hebben een grote invloed op het zonnestelsel en bombarderen onafgebroken de aarde.
Als de zonnewind erg krachtig is, kan dat problemen opleveren voor satellieten, gsm's, het luchtverkeer, elektriciteitsnetwerken en astronauten in de ruimte. Om dergelijke gebeurtenissen beter te kunnen voorspellen, tracht een internationaal team van onderzoekers de raadsels van het ruimteweer op te lossen, en een onderdeel daarvan is proberen te achterhalen hoe de zonnewind opgewarmd en versneld wordt.
Het team, dat onder leiding staat van het University College London, heeft nu simulaties van de zonnewind uitgevoerd op een krachtige supercomputer en geanalyseerd.
De simulaties vonden plaats in Data Intensive at Leicester (DiaL), een van de vijf plaatsen in het Verenigde Koninkrijk met een High Performance Computing (HPC) dienst die deel uitmaakt van het Distributed Research utilizing Advanced Computing (DiRAC) netwerk.
Als de zonnewind de aarde bereikt, is hij bijna 10 keer heter dan verwacht, met een temperatuur van zo'n 100.000 tot 200.000 graden Celsius. De buitenste atmosfeer van de zon, waar de zonnewind ontstaat, is gemiddeld zo'n miljoen graden warm.
Magnetische 'herverbindingen'
Uit de simulaties leidde het team af dat de zonnewind langer heet blijft door kleinschalige magnetische 'herverbindingen' die plaatsvinden in de turbulentie van de zonnewind.
Het fenomeen vindt plaats als twee tegenoverliggende magnetische veldlijnen breken en dan opnieuw verbinding maken met elkaar, iets waarbij ze enorme hoeveelheden energie vrijgeven. Hetzelfde proces, op een grotere schaal, veroorzaakt de grote zonnevlammen die uit de buitenste atmosfeer van de zon losbarsten.
Meer in detail gaat het als volgt: op het oppervlak van de zon, dat overigens met zo'n 6.000 graden relatief koud is, wordt het magnetisch veld door elkaar geschud en dat stuurt golven van magnetische veldlijnen in de corona, de hete buitenste atmosfeer van de zon.
Een aantal van die veldlijnen wordt teruggekaatst in de corona en reageert dan met veldlijnen die nog steeds naar buiten gaan. Dat veroorzaakt turbulentie en plotselinge richtingsveranderingen van het magnetisch veld en die fenomenen wekken dan weer een grote hoeveelheid energie en warmte op.
Het proces doet zich overal voor in de zonnewind en zorgt ervoor dat hij heter blijft dan verwacht werd.
"Magnetische herverbindingen gebeuren bijna spontaan en heel de tijd in de zonnewind. Dit soort van herverbinding doet zich gemiddeld voor in een gebied van enkele honderden kilometer - wat echt uiterst klein is in vergelijking met de enorme dimensies van de ruimte", zei hoofdauteur van de studie Jeffersson Agudelo van UCL.
"Dankzij de kracht van supercomputers waren we in staat dit probleem te benaderen op een totaal nieuwe manier. De magnetische herverbindingen die we waarnemen in de simulaties zijn zo gecompliceerd en asymmetrisch dat we onze analyse van deze gebeurtenissen nog voortzetten."
Vergelijken met de data van de Solar Orbiter
Om hun bevindingen en voorspellingen te bevestigen, gaat het team zijn data vergelijken met de gegevens van de Solar Orbiter van het European Space Agency (ESA).
"Dit is een ongelooflijke opwindende tijd om enorme simulaties van plasma te combineren met de meest recente waarnemingen van de Solar Orbiter. Onze kennis van de herverbinding en turbulentie zou een grote sprong voorwaarts kunnen maken door onze simulaties te combineren met de nieuwe gegevens van de Solar Orbiter", zei Agudelo.
Een van de instrumenten aan boord van het ruimtetuig is het Space's Spectral Investigation of the Coronal Environment (SPICE) instrument. Dat moet een van de geheimen van de zon ontsluieren: waar komt de zonnewind vandaan en hoe ontsnapt hij aan de zon?
De studie van de onderzoekers van UCL’s Mullard Space Science Laboratory, Northumbria University, ESA, University of New Hampshire, Southwest Research Institute in Texas en Universidad Nacional de Colombia is gepubliceerd in het Journal of Plasma Physics. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van de Science and Technology Facilities Council (STFC) die het onderzoek en de supercomputer gefinancierd heeft.
Een video uit het Journaal van 10 februari 2020 over de lancering van de Solar Orbiter met ook uitleg over de zonnewind.
