太陽發(fā)電機拼圖的一個被忽視的部分

在太陽旋轉(zhuǎn)的等離子體中，一種以前未被發(fā)現(xiàn)的機制正在起作用：一種磁性不穩(wěn)定性，科學(xué)家們認為在這種條件下物理上是不可能的。Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf(HZDR)，利茲大學(xué)和波布坦州萊布尼茲天體物理學(xué)研究所(AIP)的研究人員在《物理評論流體》(Physical Review Fluids)雜志上說，這種影響甚至可能在形成太陽磁場中起關(guān)鍵作用。。

就像巨大的發(fā)電機一樣，太陽磁場是由電流產(chǎn)生的。為了更好地理解這種自我增強機制，研究人員必須闡明太陽等離子體中的過程和流動。不同區(qū)域的不同轉(zhuǎn)速和太陽內(nèi)部的復(fù)雜流動共同產(chǎn)生磁場。在此過程中，可能會發(fā)生異常的磁效應(yīng)，例如新發(fā)現(xiàn)的磁不穩(wěn)定性。

對于最近觀察到的磁旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性(MRI)的特殊情況，研究人員創(chuàng)造了“超級HMRI”一詞。這是一種磁性機制，會導(dǎo)致磁場中旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)電流體和氣體變得不穩(wěn)定。這種情況的特殊之處在于，超級HMRI所要求的條件與在太陽赤道附近的等離子體中存在的條件完全相同，在該條件下，天文學(xué)家觀察到的太陽黑子最多，因此太陽的磁活動最大。但是，到目前為止，這種不穩(wěn)定性在太陽中完全沒有被注意到，并且還沒有集成到太陽發(fā)電機模型中。

盡管如此，眾所周知，磁場的不穩(wěn)定性在宇宙的許多過程中都至關(guān)重要。例如，恒星和行星是由大型的灰塵和氣體旋轉(zhuǎn)盤產(chǎn)生的。在沒有磁場的情況下，這個過程將是莫名其妙的。磁性不穩(wěn)定性會導(dǎo)致圓盤內(nèi)的氣流產(chǎn)生湍流，從而使質(zhì)量塊凝聚成一個中心物體。就像橡皮筋一樣，磁場連接以不同速度旋轉(zhuǎn)的相鄰層。它會加速邊緣處較慢的物質(zhì)粒子，并減慢內(nèi)部較快的物質(zhì)。有離心力強度不夠，物質(zhì)就會塌陷到中心。在太陽赤道附近，它的行為恰恰相反。內(nèi)層的移動速度比外層慢。到目前為止，專家們一直認為這種流動剖面在物理上非常穩(wěn)定。

HZDR，利茲大學(xué)和AIP的研究人員仍然決定對其進行更徹底的研究。在圓形磁場的情況下，他們已經(jīng)計算出，即使流體和氣體在外部旋轉(zhuǎn)得更快，也可能發(fā)生磁不穩(wěn)定。但是，僅在不切實際的條件下：旋轉(zhuǎn)速度必須朝著外邊緣過大地增加。

現(xiàn)在嘗試另一種方法，他們的研究基于螺旋磁場。HZDR的弗蘭克·史蒂芬妮(Frank Stefani)回憶說：“我們并沒有抱太大的期望，但是后來我們感到真正的驚喜。”因為當(dāng)?shù)入x子體的旋轉(zhuǎn)層之間的速度僅略微增加時，磁性不穩(wěn)定已經(jīng)發(fā)生了。在最靠近赤道的太陽區(qū)域。

Stefani估計：“這種新的不穩(wěn)定性可能會在產(chǎn)生太陽磁場中發(fā)揮重要作用。” “但是為了確認這一點，我們首先需要進行進一步的數(shù)值復(fù)雜的計算。” AIP的GüntherRüdiger教授補充說：“天體物理學(xué)家和氣候研究人員仍然希望更好地了解黑子的周期。也許我們現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的'Super HMRI'將邁出決定性的一步。我們將對其進行檢驗。”

跨學(xué)科研究團隊?wèi){借其在磁流體動力學(xué)和天體物理學(xué)方面的各種專業(yè)知識，已經(jīng)在實驗室，紙上以及借助復(fù)雜的模擬方法研究磁不穩(wěn)定性已有15年以上的歷史?？茖W(xué)家們希望改善物理模型，了解宇宙磁場并開發(fā)創(chuàng)新的液態(tài)金屬電池。由于密切合作，他們在2006年設(shè)法首次通過實驗證明了磁旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性理論。他們現(xiàn)在正在計劃針對理論上預(yù)測的特殊形式的測試：在HZDR的DRESDYN項目中目前正在建立的大規(guī)模實驗中，他們希望在實驗室中研究這種磁不穩(wěn)定性。