Från ”makro” till ”mikro” – turbulens sedd av Cluster

Sådana småskaliga virvelströmmar, vars existens har förutspåtts med matematiska modeller, har inte tidigare observerats i rymden. Resultaten är intressanta inte enbart för rymdfysiker utan även för andra tillämpningar såsom forskning om kärnfusion.

Den 9 mars 2002 passerade de fyra Cluster-satelliterna, flygandes i formation på 100 kilometers inbördes avstånd, den norra “magnetiska vändkretsen” och då ägde upptäckten rum. Vändkretsar är regioner över polerna där de magnetiska fältlinjerna runt jorden bildar en magnetisk tratt.

Vändkretsarna är de två viktigaste regionerna i jordens magnetosfär där solvinden – ett konstant flöde av laddade partiklar som solen utsänder och genomkorsar hela solsystemet – direkt kan nå det övre lagret i jordens atmosfär (jonosfären).

Stora mängder av plasma (en gas av laddade partiklar) och energi transporteras genom dessa och andra åtkomliga regioner för att penetrera magnetosfären – jordens naturliga skyddsskärm. Mindre än en procent av all energi som solvinden bär med sig och träffar magnetosfären lyckas faktiskt ta sig igenom, men kan ändå i hög grad påverka olika system på jorden, till exempel telenätverk och kraftledningar.

Solmaterialet som smiter igenom orsakar turbulens i plasman som omger jorden, på ett sätt som kan jämföras med vätskor, men med mer komplexa krafter inblandade. Sådan turbulens uppstår exempelvis i övergångsskikten mellan plasmalager som har olika densitet och temperatur, men de bakomliggande mekanismerna är inte helt klarlagda.

Turbulensen varierar i omfång, från några få till tusentals kilometer tvärs över. Vid flerpunktsmätningar in situ år 2004 rapporterade de fyra Cluster-satelliterna existensen av storskalig turbulens – virvelströmmar upp till 40 000 kilometer breda – vid magnetopausens flank (en gräns som skiljer magnetosfären från den fria rymden). Upptäckten av mikroturbulens, med virvelströmmar endast 100 kilometer breda, är ett genombrott i studiet av plasman som omger jorden.

Genom denna upptäckt kan forskarna börja sammanlänka små- och storskalig turbulens och ställa frågor om deras ursprung och bakomliggande samband. Vilka är till exempel mekanismerna som driver och formar turbulensen? Hur mycket bidrar virvelströmmar till transporten av massa och energi genom gränsskikten? Är små virvelströmmar nödvändiga för att stora sådana ska bildas? Eller upplöser stora virvelströmmar sin energi och skapar en kaskad av små virvelströmmar?

I sin strävan att besvara dessa frågor revolutionerar Cluster vår förståelse av hur och genom vilka mekanismer aktivitet på solen påverkar jorden. Cluster utgör ett fantastiskt diagnostiskt verktyg för att skapa den första tredimensionella kartan av miljön nära jorden, och är unik genom sin förmåga att göra samtidiga observationer från flera rymdfarkoster.

Clusters studie av turbulensen i jordens plasma bidrar också till att utveckla grundläggande teorier om plasma. Detta är viktigt inte bara för astrofysiker utan också för hanteringen av plasma i laboratorier på jorden, med tanke på de höga energinivåer det handlar om. Detta har särskild betydelse för forskningen om kärnfusion.

Anmärkning för redaktörer

Dessa forskningsresultat publiceras i utgåvan den 11 augusti av den vetenskapliga tidskriften Nature. Författarna är följande: D. Sundkvist (CNRS, Orleans, Frankrike/Swedish Institute of Space Physics, Uppsala, Sverige), V. Krasnoselskikh (CNRS, Orleans, Frankrike), P.K. Shukla (Institut fur Theoretische Physik IV, Bochum, Germany); A. Vaivads, M. Andre, S. Buchert (Swedish Institute of Space Phyisics, Uppsala, Sverige), H. Reme (CESR, Toulouse, Frankrike).

Upptäckten av nämnda gigantiska virvelströmmar publicerades den 12 augusti 2004 i tidskriften Nature i en avhandling av H. Hasegawa, et al.

För mer information:

David Sundkvist,
Huvudförfattare, Institutet för rymdfysik (IRF), Uppsala, Sverige
E-post: david.sundkvist@irfu.se

Philippe Escoubet
ESA, Cluster Project Scientist
E-post: philippe.escoubet @ esa.int