Группа корейских исследователей определила происхождение раздвоенных токовых слоев, которые считаются одной из самых нерешенных загадок в магнитосфере Земли и в физике намагниченной плазмы.

Совместная исследовательская группа POSTECH во главе с профессором Гунсу С. Юн из отдела физики и отдела перспективной ядерной техники и доктором Ён Дэ Юн из лаборатории ускорителей Пхохана теоретически установила процесс бесстолкновительного уравновешивания неравновесных плазменных токовых слоев. Кроме того, сравнивая это с моделированием частиц и спутниковыми данными НАСА, было выявлено происхождение раздвоенных токовых слоев, которые оставались в значительной степени неизвестными.

В магнитосфере Земли наблюдается пластинчатая плазма, зажатая между двумя областями противоположных магнитных полей. Поскольку внутри него течет ток, его еще называют токовым листом. Согласно традиционной теории, токовый слой существует как единый объем, в котором магнитное давление из-за магнитного поля, создаваемого током, и тепловое давление плазмы уравновешивают друг друга, тем самым формируя равновесие. Однако в 2003 году миссия Cluster Европейского космического агентства обнаружила раздвоенный токовый слой в магнитосфере Земли. С тех пор наблюдались подобные явления.

С другой стороны, были накоплены обширные исследования условий, при которых магнитная сила и тепловое давление идеально сбалансированы друг с другом в токовом слое. Но процесс, посредством которого уравновешивается неравновесный токовый слой, остается в значительной степени неизвестным. Поскольку плазменные системы обычно не начинаются из состояния равновесия, понимание процесса уравновешивания желательно для лучшего понимания динамики плазменного токового слоя.

Совместная исследовательская группа тщательно проанализировала процесс, в котором неравновесный лист достигает равновесия, рассматривая классы орбит и распределение частиц в фазовом пространстве, которые составляют токовый слой, и обнаружила, что токовые слои могут естественным образом раздвоиться во время процесса уравновешивания. Затем было подтверждено, что эти теоретические предсказания согласуются с результатами моделирования частиц в ячейках, выполненными на суперкомпьютере KAIROS в Корейском институте термоядерной энергии. Кроме того, данные моделирования были сопоставлены и проверены с измерениями магнитосферного многомасштабного (MMS) НАСА.

Это достижение расширило понимание динамики намагниченной плазмы за счет включения теоретического анализа, моделирования на суперкомпьютере и спутниковых наблюдений. Поскольку магнитосферная плазма Земли по-разному имеет характеристики, аналогичные характеристикам другой намагниченной плазмы, например, термоядерной плазмы, ожидается, что она будет вносить вклад в широкий диапазон полей.

«Это исследование имеет значительную академическую ценность, поскольку оно одновременно разрешило две загадки: процесс, посредством которого неравновесный токовый слой уравновешивается, и происхождение раздвоенных токовых листов», — пояснил профессор Гунсу С. Юн из POSTECH, который участвовал в качестве соавтора-корреспондента в учеба. «Мы пытаемся расширить рамки анализа для плазмы с сильными направляющими полями и надеемся понять аналогичные явления, которые происходят в термоядерной плазме».

Дмитрий Корниенко