Дипольное магнитное поле, создаваемое кольцевым током, является наиболее фундаментальным типом магнитного поля, которое встречается как в лабораториях, так и в космосе. Магнитосферы планет, такие как Юпитерианская, эффективно удерживают плазму.
Проект RT-1 направлен на изучение опыта природы и создание высокоэффективной плазмы магнитосферного типа для реализации передовой термоядерной энергии. Одновременно искусственная магнитосфера предлагает средство экспериментального понимания механизмов природных явлений в упрощенной и контролируемой среде.
Кольцевая ловушка-1 (RT-1) - экспериментальный аппарат, расположенный в Токийском университете. Используя технологию высокотемпературной сверхпроводимости, катушка дипольного поля находится в магнитной левитации, что позволяет проводить эксперименты с плазмой в условиях, близких к условиям планетарной магнитосферы.
Излучение chorus, наблюдаемое в пространстве, окружающем Землю, известном как "Геокосмос", является важным явлением, связанным с полярными сияниями и космической погодой. Излучение chorus активно изучалось, в основном, с помощью наблюдений с космических аппаратов, теоретических исследований и численного моделирования.
В то время как космические аппараты являются мощными инструментами для изучения реальной космической среды, планетарная магнитосфера представляет собой огромную и сложную систему, которую трудно понять во всей ее полноте.
Напротив, лабораторные условия позволяют нам создать упрощенный объект исследования, который извлекается из сложных свойств природы в контролируемой среде. Поэтому ожидается, что экспериментальные исследования сыграют дополнительную роль в наблюдении и теории понимания излучения chorus. Однако создать магнитосферную среду в лаборатории непросто. Лабораторные эксперименты по chorus излучениям в магнитном поле магнитосферного диполя до сих пор никогда не проводились.
Исследовательская группа из Национального института термоядерных исследований в Токи, Япония, и Высшей школы передовых наук Токийского университета в Касиве, Япония, успешно провела лабораторные исследования излучения chorus в режиме свиста с использованием устройства RT-1. Эта "искусственная магнитосфера" имеет сверхпроводящую катушку с магнитной левитацией для создания дипольного магнитного поля планетарного магнитосферного типа в лаборатории.
Используя технологию высокотемпературной сверхпроводимости, катушка весом 110 кг магнитно левитируется в вакуумном сосуде, и генерируемое магнитное поле ограничивает плазму. Эта уникальная установка позволяет работать без каких-либо механических опорных конструкций катушки, что позволяет генерировать плазму в условиях, сходных с планетарной магнитосферой, даже в пределах наземного объекта.
В этом исследовании группа заполнила вакуумный резервуар RT-1 газообразным водородом и ввела микроволны для создания высокоэффективной водородной плазмы, в первую очередь за счет нагрева электронов.
В ходе экспериментов генерировалась плазма в различных состояниях и проводились исследования генерации волн. Следовательно, спонтанное возникновение излучения chorus волны вистлера наблюдалось, когда плазма содержала значительное количество высокотемпературных электронов.
Также были проведены измерения силы и частоты излучения chorus плазмы с особым вниманием к его плотности и состоянию высокотемпературных электронов.
Результаты, опубликованные в Nature Communications, показали, что генерация излучения chorus обусловлена увеличением количества высокотемпературных электронов, ответственных за давление плазмы. Кроме того, увеличение общей плотности плазмы привело к подавлению генерации излучения chorus.
В ходе этого исследования было выяснено, что излучение chorus является универсальным явлением, возникающим в плазме с высокотемпературными электронами в простом дипольном магнитном поле. Свойства, выявленные в ходе эксперимента, включая условия появления и распространение волн, могут улучшить наше понимание излучения chorus и связанных с ним явлений, наблюдаемых в геокосмическом пространстве.
Электромагнитные волны излучения chorus обладают потенциалом для дальнейшего ускорения горячих электронов до более высоких энергетических состояний, что приводит к образованию полярных сияний и отказам спутников. Эти электромагнитные волны, наряду с энергичными частицами, играют решающую роль в явлениях космической погоды.
В геокосмическом пространстве, когда на поверхности Солнца происходят взрывные явления (вспышки), они вызывают магнитные бури, вызывая большие колебания электромагнитного поля и генерируя большое количество энергичных частиц. Это не только приводит к сбоям в работе спутников и воздействует на озоновый слой, но также, как известно, приводит к нарушению электроснабжения и сетей связи на земле.
С расширением деятельности человека сегодня понимание явлений космической погоды становится все более важным. Однако многочисленные механизмы и явления в этой области остаются неразрешенными. Ожидается, что результаты этого исследования будут способствовать лучшему пониманию механизмов, стоящих за разнообразными явлениями космической погоды.
В области термоядерной плазмы, которая направлена на окончательное решение энергетических проблем, потеря частиц и структурообразование из-за взаимодействия с волнами являются одной из центральных исследовательских проблем. Точное понимание сложных взаимодействий между спонтанно возбуждаемыми волнами и плазмой важно для достижения термоядерного синтеза.
Волновые явления с колебаниями частоты широко наблюдались в высокотемпературной плазме для термоядерного синтеза, что указывает на существование общего физического механизма с излучением chorus.
Результаты этого исследования представляют собой шаг вперед в понимании общих физических явлений, обнаруживаемых как в термоядерном синтезе, так и в космической плазме. Ожидается, что будущие исследования будут продвигаться дальше благодаря расширению сотрудничества между этими двумя областями.
Волны свиста являются одной из фундаментальных волн, распространяющихся в плазме. В излучениях chorus, наблюдаемых вокруг геокосмоса и Юпитера, флуктуационные явления с частотными вариациями, подобными пению птиц, происходят неоднократно. Считается, что они тесно связаны с полярными сияниями и космическими погодными явлениями, такими как образование и перенос электронов высокой энергии.
Источник: Nature Communications, Национальные институты естественных наук
На изображении:
Когда плазма, заключенная в дипольном магнитном поле RT-1, содержит значительное количество высокотемпературных электронов (красные частицы), спонтанное образование хорового излучения (белые эмиссионные линии) характеризуется переменной частотой (высотой звука), подобной пению птиц.
Предоставлено: Национальный институт термоядерных исследований
Дополнительные материалы
