Mówiąc krótko, okazało się, że kierunek obrotu pola magnetycznego odwraca się na określonej skali długości, a granica tej zmiany przesuwa się wraz z oddalaniem od Słońca. Odkrycie może pomóc wyjaśnić mechanizmy rządzące plazmą kosmiczną i w przyszłości wesprzeć badania nad prognozowaniem burz geomagnetycznych.
Turbulencja kojarzy się najczęściej z chaotycznym ruchem powietrza czy wzburzoną wodą. W przestrzeni kosmicznej przebiega jednak w zupełnie innych warunkach. Zamiast zwykłego płynu występuje tam plazma, czyli zjonizowana materia, której zachowanie silnie zależy od pól elektromagnetycznych. Zrozumienie jej ruchu od lat stanowi jedno z istotnych wyzwań współczesnej fizyki.
Czytaj też: Planeta wielkości Ziemi ma dwa słońca. To układ znajdujący się tuż obok nas
Nowe badanie, prowadzone przez naukowców z Uniwersytetu Technicznego w Brunszwiku we współpracy z badaczami z dziesięciu krajów, ujawniło, że nawet w pozornie chaotycznym środowisku można znaleźć wyraźne prawidłowości. Ustalenia uczonych ukazały się na łamach The Astrophysical Journal Letters. Kluczowe znaczenie dla odkrycia miały pomiary wykonane przez sondę Parker Solar Probe. Statek kosmiczny, zaprojektowany do badania Słońca i jego otoczenia, dostarczył precyzyjnych danych dotyczących pola magnetycznego oraz cząstek obecnych w wietrze słonecznym.
Analiza wykazała, że fluktuacje pola magnetycznego nie obracają się zawsze w ten sam sposób. Na większych skalach długości dominuje jeden kierunek obrotu, natomiast na mniejszych skala ta ulega odwróceniu. Badacze zaobserwowali przejście od obrotu przeciwnie do ruchu wskazówek zegara do obrotu zgodnego z tym ruchem, gdy analizują pole w odpowiednio zdefiniowanym układzie odniesienia związanym z kierunkiem oddalania się od Słońca.
Co istotne, granica między tymi dwoma zachowaniami nie znajduje się zawsze w tym samym miejscu. W miarę oddalania się plazmy od Słońca zjawisko przesuwa się w stronę większych skal długości. Oznacza to, że struktura turbulencji ewoluuje wraz z przemieszczaniem się wiatru słonecznego przez przestrzeń międzyplanetarną. Dodajmy do tego fakt, iż uporządkowana właściwość pojawia się w środowisku, które na pierwszy rzut oka charakteryzuje się przypadkowymi, nieregularnymi ruchami, a sprawy przybiorą jeszcze ciekawszy obrót.
Zaobserwowane odwrócenie wiąże się z fundamentalną zmianą sposobu, w jaki zachowuje się plazma. Na większych skalach można ją opisywać w przybliżeniu jako płyn. Wówczas turbulencja rozwija się między innymi za sprawą wirów oraz fal elektromagnetycznych. Na mniejszych odległościach coraz większe znaczenie zyskują indywidualne cząstki naładowane i ich oddziaływania z polem elektromagnetycznym. To właśnie w obszarze przejściowym między tymi dwoma sposobami opisu badacze zaobserwowali zmianę kierunku obrotu pola magnetycznego.
Czytaj też: Astronomowie ustalili, co dzieje się pod powierzchnią Słońca. To nieoczekiwane zmiany
Plazma kosmiczna różni się od ziemskich płynów również tym, że jej cząstki zderzają się ze sobą stosunkowo rzadko. Ich zachowanie jest w dużej mierze kontrolowane przez pola elektromagnetyczne. Z tego powodu klasyczne modele turbulencji nie zawsze wystarczają do wyjaśnienia procesów zachodzących w wietrze słonecznym. Jak podkreśla pierwszy autor badania, Masatomi Iizawa, widoczna struktura pojawia się nawet wtedy, gdy sam ruch plazmy wydaje się nieuporządkowany. Wyniki dostarczają więc wskazówek dotyczących mechanizmów, które dotychczas pozostawały słabo poznane.
Ustalenia badaczy będą miały znaczenie zarówno dla teorii fizyki plazmy, jak i innych dziedzin. Mówimy przecież o wpływie na sposób, w jaki energia i zaburzenia magnetyczne przemieszczają się przez Układ Słoneczny. Zjawiska te są istotne dla rozwoju burz geomagnetycznych, które mogą oddziaływać na ziemską magnetosferę. Silne zaburzenia wywoływane przez aktywność Słońca potrafią zakłócać działanie satelitów, systemów nawigacyjnych i łączności, a w skrajnych przypadkach również sieci energetycznych. Mogą też prowadzić do pojawiania się zorzy polarnej na obszarach, na których zwykle nie jest obserwowana.
