Turbulence ir sastopama gan ikdienišķās parādībās, piemēram, pienam ieplūstot kafijā, gan spēcīgās vētrās atmosfērā un okeānos. Tā pastāv arī kosmosā, taču tur notiek citādi un joprojām nav pilnībā izprasta.

Atšķirībā no gaisa un ūdens uz Zemes kosmosā liela daļa vielas ir elektriski lādētu daļiņu plazma. Šīs daļiņas spēcīgi mijiedarbojas ar magnētiskajiem un elektriskajiem laukiem, radot turbulenci, kas būtiski atšķiras no mums pazīstamās turbulences uz Zemes. Kosmosa plazma turklāt ir ļoti reta, tāpēc daļiņas cita ar citu saduras reti un tās uzvedība kļūst vēl neparastāka.

Zinātniekiem ilgu laiku bijis grūti izskaidrot, kā šādos apstākļos attīstās turbulence un kā enerģija tiek sadalīta starp nepārtraukti mainīgajām svārstībām. Tagad starptautiska pētnieku komanda atklājusi pārsteidzošu pavedienu: šķietami nejaušā kosmosa plazmas kustībā slēpjas noteikts magnētisks raksts, kas ļoti mazos mērogos maina rotācijas virzienu.

Pētījums publicēts žurnālā The Astrophysical Journal Letters. Tajā aprakstīta līdz šim kosmosa turbulencē tieši nenovērota parādība, kas varētu uzlabot izpratni par Saules vēju un turbulento vidi, kura ietekmē kosmiskos laikapstākļus.

Pārkeres zondes dati atklāj magnētiskā lauka virziena maiņu

Parādību, izmantojot NASA zondes “Parker Solar Probe” novērojumus, identificēja Technische Universität Braunschweig un Tokijas Universitātes pētnieki sadarbībā ar Tohoku Universitāti, Kjūšu Universitāti, Osakas Universitāti un citām starptautiskām institūcijām.

Pētījumā piedalījās zinātnieki no desmit valstīm, tostarp Teorētiskās fizikas institūta pētnieki Technische Universität Braunschweig.

Analizējot ļoti precīzus magnētisko lauku un daļiņu mērījumus, komanda konstatēja, ka turbulentie magnētiskie lauki noteiktā viļņu garumu diapazonā maina rotācijas virzienu. Tā ir pirmā tiešā šādas maiņas novērošana kosmosa turbulencē.

Vēl pārsteidzošāk — magnētiskā virziena maiņa kļūst izteiktāka un pārvietojas uz garāku viļņu garumu apgabalu, Saules vējam attālinoties no Saules. Šīs pārmaiņas notiek kritiskā robežā, kur plazmas uzvedība mainās: no kopīgas, plūstošam šķidrumam līdzīgas kustības tā pāriet uz atsevišķu daļiņu dinamikas režīmu.

Šī saikne liecina, ka magnētiskā rotācijas virziena maiņa var kļūt par jaunu veidu, kā izprast turbulences darbību dažādos fizikālos mērogos.

Organizēts raksts šķietami haotiskā kosmosa turbulencē

Lielākos mērogos plazma pārvietojas līdzīgi šķidrumam. Virpuļveida struktūras un elektromagnētiskie viļņi rada aizvien sarežģītākas svārstības, veidojot turbulentos apstākļus, kas sastopami visā kosmosā.

Lai gan šīs kustības izskatās nejaušas, pētnieki atklāja, ka magnētisko lauku rotācija pakļaujas konsekventam modelim. Skatoties virzienā, kas vērsts prom no Saules, lielāka mēroga magnētiskie lauki parasti rotē pretēji pulksteņrādītāja virzienam. Savukārt daudz mazākos mērogos vēlamais rotācijas virziens mainās uz pulksteņrādītāja virzienu.

Šī pāreja notiek tieši tur, kur plazma pārstāj galvenokārt uzvesties kā šķidrums un sāk demonstrēt uzvedību, ko nosaka atsevišķu daļiņu dinamika. Atklājums ir īpaši nozīmīgs tāpēc, ka tas parāda skaidru, organizētu pazīmi sistēmā, kurā citādi dominē šķietami neparedzamas svārstības.

“Mēs redzam skaidru struktūru spektrā, lai gan turbulence izpaužas kā nestrukturētas kustības,” teica pētījuma pirmais autors Masatomi Iizava no TU Braunschweig.

Tokijas Universitātes pētnieks Jokoi uzsvēra atklājuma plašāko nozīmi: “Rezultātiem ir liela nozīme gan plazmas fizikā, gan astrofizikā.”

Nozīme Saules vētrām un kosmiskajiem laikapstākļiem

Lai gan magnētiskā virziena maiņa notiek ārkārtīgi mazos mērogos, tās izpratnei var būt plašāka nozīme kosmosa fizikā. Plazmas turbulence ir būtiska parādība daudzās Visuma vidēs, tostarp Zemes magnetosfērā, Saules vējā, reģionos, kurus ietekmē Saules izvirdumi, starpplanētu telpā un vielas diskos ap astronomiskiem objektiem, ko dēvē par akrēcijas diskiem.

Turbulence ietekmē arī triecienviļņus un magnētiskā materiāla mākoņus, kas pēc Saules izvirdumiem pārvietojas starpplanētu telpā. Šie traucējumi var būtiski ietekmēt ģeomagnētiskās vētras, tāpēc plazmas turbulence ir svarīgs faktors kosmisko laikapstākļu prognozēšanā.

Jaunais pētījums parāda, kā organizēts magnētisks raksts rodas brīdī, kad turbulentā plazma pāriet no šķidrumam līdzīgas uzvedības uz daļiņu vadītu režīmu. Tas sniedz nozīmīgu daļu atbildes uz ilgstošu fizikas jautājumu un nākotnē var palīdzēt zinātniekiem labāk izprast procesus, kas nosaka Saules vēju, kā arī pilnveidot fizikālos modeļus ģeomagnētisko vētru prognozēšanai.