Дипольное магнитное поле, создаваемое кольцевым током, является наиболее фундаментальным типом магнитного поля, встречающимся как в лабораториях, так и в космосе. Планетарные магнитосферы, такие как Юпитер.’s, эффективно удерживают плазму.
Проект RT-1 направлен на изучение опыта природы и создание высокоэффективной плазмы магнитосферного типа для реализации передовой термоядерной энергии. В то же время искусственная магнитосфера предлагает средства экспериментального понимания механизмов природных явлений в упрощенной и контролируемой среде.
Кольцевая ловушка-1 (RT-1) — экспериментальный аппарат, расположенный в Токийском университете. Используя технологию высокотемпературных сверхпроводников, катушка дипольного поля поднимается на магнитной подушке, что позволяет проводить эксперименты с плазмой в среде, близкой к среде планетарной магнитосферы.
Хоровое излучение свистовой моды, наблюдаемое в пространстве вокруг Земли, известное как «Геопространство», является важным явлением, связанным с полярными сияниями и космической погодой. Хоровое излучение активно исследовалось в первую очередь с помощью наблюдений космических аппаратов, теоретических исследований и численного моделирования.
В «искусственной магнитосфере» РТ-1, изначально разработанной для передовой концепции термоядерного синтеза, черпая вдохновение из природы, в рамках данного исследования проводились эксперименты, направленные на понимание природных явлений и выяснение условий появления «хорового излучения» в космической плазме. Фото: Национальный институт термоядерной науки.
Хотя космические корабли являются мощным инструментом для изучения реальной космической среды, планетарная магнитосфера представляет собой огромную и сложную систему, которую трудно понять во всей ее полноте. Кроме того, людям нелегко манипулировать космической средой.
Напротив, лабораторные условия позволяют нам создать упрощенный объект исследования, извлекаемый из сложных свойств природы в контролируемой среде. Таким образом, ожидается, что экспериментальные исследования будут играть дополнительную роль в наблюдении и теории понимания хорового излучения. Однако создать магнитосферную среду в лаборатории непросто. Лабораторные эксперименты по изучению хорового излучения в дипольном магнитном поле магнитосферы до сих пор не проводились.
Исследовательская группа из Национального института термоядерной науки в Токи, Япония, и Высшей школы пограничных наук Токийского университета в Касива, Япония, успешно провела лабораторные исследования хорового излучения свистовой моды с использованием устройства RT-1. Эта «искусственная магнитосфера» имеет сверхпроводящую катушку, левитирующую на магнитной основе, для создания в лаборатории дипольного магнитного поля планетарного магнитосферного типа.
Используя технологию высокотемпературных сверхпроводников, катушка массой 110 кг поднимается на магнитной подушке в вакуумном сосуде, и создаваемое магнитное поле удерживает плазму. Эта уникальная установка позволяет работать без каких-либо механических поддерживающих конструкций катушки, что позволяет генерировать плазму в среде, близкой к планетарной магнитосфере, даже внутри наземного объекта.
В этом исследовании исследовательская группа заполнила вакуумный сосуд РТ-1 газообразным водородом и ввела микроволны для создания высокопроизводительной водородной плазмы, в первую очередь за счет нагрева электронов.
В экспериментах генерировалась плазма в различных состояниях и проводились исследования генерации волн. Следовательно, спонтанное возникновение хорового излучения свистовых волн наблюдалось, когда плазма содержала значительное количество высокотемпературных электронов.
Были также проведены измерения силы и частоты хорового излучения плазмы с упором на ее плотность и состояние высокотемпературных электронов.
Результаты, опубликованные в журнале Nature Communications, показали, что генерация хорового излучения обусловлена увеличением количества высокотемпературных электронов, ответственных за давление плазмы. Кроме того, увеличение общей плотности плазмы привело к подавлению генерации хорового излучения.
Благодаря этому исследованию выяснилось, что хоровое излучение — универсальное явление, происходящее в плазме с высокотемпературными электронами в простом дипольном магнитном поле. Свойства, выявленные в эксперименте, включая условия появления и распространение волн, могут улучшить наше понимание хорового излучения и связанных с ним явлений, наблюдаемых в геопространстве.
Электромагнитные волны хорового излучения могут еще больше ускорить горячие электроны до более высоких энергетических состояний, что приведет к образованию полярных сияний и сбоям в работе спутников. Эти электромагнитные волны, наряду с энергичными частицами, играют решающую роль в явлениях космической погоды.
В геокосмосе взрывные события (вспышки) на поверхности Солнца вызывают магнитные бури, вызывающие большие колебания электромагнитного поля и генерирующие большое количество энергичных частиц. Это не только приводит к сбоям в работе спутников и воздействует на озоновый слой, но также, как известно, нарушает работу сетей электроснабжения и связи на земле.
Сегодня с расширением человеческой деятельности 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, лежащих в основе разнообразных явлений космической погоды.
В области термоядерной плазмы, целью которой является окончательное решение энергетических проблем, потеря частиц и образование структур из-за взаимодействия с волнами является одной из центральных исследовательских проблем. Точное понимание сложных взаимодействий между спонтанно возбужденными волнами и плазмой необходимо для достижения термоядерного синтеза.
Волновые явления с изменениями частоты широко наблюдались в высокотемпературной плазме при термоядерном синтезе, что указывает на существование общего физического механизма с хоровым излучением.
Результаты этого исследования представляют собой шаг вперед в понимании общих физических явлений, обнаруженных как в термоядерной, так и в космической плазме. Ожидается, что будущие исследования будут развиваться дальше благодаря расширению сотрудничества между этими двумя областями.>
Свистовые волны — одна из фундаментальных волн, распространяющихся в плазме. В хоровых излучениях, наблюдаемых вокруг геопространства и Юпитера, периодически происходят колебания частоты с изменениями частоты, подобными пению птиц. Считается, что они тесно связаны с полярными сияниями и явлениями космической погоды, такими как производство и транспорт электронов высокой энергии.
Информация от: Национальными институтами естественных наук.
