湍流模拟揭秘等离子体中能量流动

美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室研究人员发现了一种太阳日冕加热过程，它有助解释为什么围绕太阳的大气层——日冕会比太阳表面热得多。这一发现或会提高解决一系列天体物理难题的能力，例如恒星形成、宇宙中大规模磁场的起源，以及预测可能扰乱手机服务和地球电网停电的空间天气事件的能力。最新一期《科学进展》杂志详细介绍了这一突破。

研究人员表示，直接数值模拟首次在3D空间提供了这种加热机制的清晰识别，2亿小时的世界最大规模计算机模拟揭示了这一过程。

太阳日冕加热的过程是一个被称为磁重联的过程，它分离并强烈地重新连接等离子体中的磁场，即形成太阳大气层的电子和原子核的汤。此次模拟揭示了磁力线的快速重新连接如何将大规模的湍流能量转化为少量的内部能量。结果，湍流能量在小尺度上被有效地转化为热能，从而使日冕过热。

在咖啡里加入奶油，奶油滴很快就会变成螺旋状和细长的卷曲状。同样，磁场形成了薄薄的电流片，由于磁重联而分解。这一过程促进了从大范围到小范围的能量级联，使这一过程比想象的更有效率。当重新连接过程缓慢而湍流级联很快时，重新连接不会影响跨尺度的能量转移。但是，当重联速度变得足够快，超过传统的级联速度时，重联可更有效地将级联移向小尺度。

它通过断裂和重新连接磁力线来产生被称为等离子体的小扭曲线链来实现这一点。这改变了半个多世纪以来被广泛接受的湍流能量级联的理解。这项新发现将能量转移率与等离子体团生长的速度联系在一起，加强了从大尺度到小尺度的能量转移，并在这些尺度上强烈加热日冕。

未来，科学家可使用航天器和望远镜探索这一发现对一系列尺度的天体物理系统的影响。研究人员表示，解开跨尺度的能量转移过程将是解开宇宙谜团的关键。