太阳上聚焦等离子体波的首次观测

来源:uux.cn自然通讯(2024)。
DOI:10.1038/s41467-024-4684
【菜科解读】
t/t0磁流体透镜化过程的数值模拟 = 0.185基于观察到的CH几何形状。
来源:uux.cn自然通讯(2024)。
DOI:10.1038/s41467-024-46846-z
(神秘的地球uux.cn)据美国物理学家组织网(David Appel):科学家们首次观察到来自日冕洞聚焦的太阳耀斑的等离子体波,类似于建筑中罗腾达效应的声波聚焦,或望远镜或显微镜对光的聚焦。
这一发现发表在《自然通讯》上,可用于诊断等离子体性质,包括太阳耀斑产生的“太阳海啸”,以及研究来自其他天文系统的等离子体波聚焦。
太阳日冕是太阳大气层的最外层,由磁等离子体环和太阳耀斑组成。
它主要由带电离子和电子组成,延伸到太空数百万公里,温度超过100万开尔文,在日全食期间尤为突出,被称为“火环”
日冕中的磁流体动力学波是受太阳磁场影响的带电流体中的振荡。
它们在日冕中发挥着重要作用,加热日冕等离子体,加速太阳风,并产生强大的太阳耀斑,这些耀斑离开日冕进入太空。
以前曾观察到它们在日冕中经历典型的波动现象,如折射、透射和反射,但到目前为止,还没有观察到它们被聚焦。
美国国家航空航天局自2010年以来一直在观测太阳的卫星太阳动力学天文台的高分辨率观测结果,一个由中国多个机构和比利时一个机构的科学家组成的研究小组分析了2011年太阳耀斑的数据。
耀斑激发了沿太阳表面移动的大强度、几乎是周期性的扰动。
作为一种磁流体动力学波,数据显示了一系列以耀斑中心为中心的弧形波前。
这个波列向太阳盘的中心传播,并以每秒约350公里的速度穿过一个位于相对于太阳赤道的低纬度的日冕空洞——一个相对较冷的等离子体区域。
日冕空洞是太阳日冕中较冷、密度较低的等离子体的临时区域;在这里,太阳的磁场延伸到日冕之外的空间。
通常,延伸的磁场会循环回到日冕,到达相反磁极性的区域,但有时磁场会让太阳风以比波浪表面速度更快的速度逃逸到太空。
在这次观测中,当波前穿过日冕洞的远边缘时,原始的弧形波前变成了反弧形,曲率翻转了180度,从向外弯曲变成了向外鞍形。
然后,它们会聚到一个聚焦在冠状孔远端的点,类似于穿过会聚透镜的光波,冠状孔的形状充当磁流体动力学透镜。
利用波浪、日冕和日冕空洞的特性进行的数值模拟证实了收敛是预期的结果。
该小组只能确定波列(一系列移动的波前)穿过日冕空洞后波的强度-振幅变化。
正如预期的那样,磁流体动力学波的强度(振幅)从空洞到焦点增加了两到六倍,能量通量密度从预聚焦区域到焦点附近区域增加了几乎七倍,这表明冠状空洞也像凸望远镜透镜一样聚焦能量。
焦点距离冕洞边缘约30万公里,但由于冕洞的形状不准确,焦点并不完美。
因此,这种磁流体动力学透镜预计会发生在行星、恒星和银河系的形成中,就像在一些恒星周围观察到的光(多种波长)的引力透镜一样。
尽管之前已经观察到太阳磁流体动力学波现象,如日冕中的折射、透射和反射,但这是首次直接观察到这种波的透镜效应。
透镜效应被认为是由于日冕温度、等离子体密度和日冕空洞边界处的太阳磁场强度以及空洞的特定形状的急剧变化(梯度)。
考虑到这些,数值模拟通过经典几何声学的方法解释了透镜效应,用于解释声波的行为,类似于光波的几何光学。
中国广东哈尔滨工业大学深圳空间风暴数值预测重点实验室的合著者丁元说:“日冕洞是一种自然结构,用于聚焦磁流体动力学波的能量,类似于科学摩擦书[和电影]《三体问题》,其中太阳被用作信号放大器。
”。
一种降低在月球上丢失太阳能漫游车风险的新方法
大多数用于太阳能供电的长距离导线规划算法没有主动考虑可能的导航延迟。
在这里,虚白色路径显示了一个计划,该计划将PSR内的漫游车尽快引向阳光,但它对可能的延迟没有弹性,这种延迟将导致漫游车落后于计划,并错过关键的太阳能充电事件。
另一方面,主动考虑延迟 蓝线的规划策略将使漫游车走上潜在的更长但更安全的轨迹。
鸣谢:uux.cn/背景图像和蝰蛇漫游者渲染:美国宇航局和亚利桑那州立大学。
据美国物理学家组织网(英格丽德·法德利):美国宇航局和世界各地的其他太空机构定期向太空发送机器人和自动飞行器,以探索太阳系中的行星和其他天体。
这些任务可以大大提高我们对太阳系其他地方的环境和资源的了解。
多伦多大学航空航天研究所和美国宇航局喷气推进实验室 JPL的研究人员最近进行了一项研究,探索可以提高使用太阳能漫游车进行月球探索的有效性和成功率的回收策略。
他们的论文预先发表在arXiv上,介绍了一种新的方法,可以帮助太阳能漫游车安全地离开月球上永久的阴影区域。
领导这项研究的研究员Opvier Lamarre告诉Phys.org:近年来,几个国家已经表示对探索月球南极感兴趣,包括美国、中国、印度、俄国和其他国家。
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他们中的大多数人计划使用太阳能漫游车来探索经常处于阴影中的区域 称为永久阴影区,或PSRs,我们怀疑这些区域可能包含大量的水冰。
可以想象,用太阳能漫游车进入PSR是一项冒险的尝试!如果漫游车因故障而延迟,它可能无法在能量耗尽前回到阳光中。
太阳能漫游车在能效方面有许多优势,但它们受到依赖太阳光运行的限制。
由于月球上的一些区域永久处于阴影中,漫游者对阳光的依赖可能会阻止他们安全地探索然后离开这些区域,导致他们在执行任务时耗尽能量。
拉马尔和他的同事最近工作的一个关键目标是量化失去太阳能漫游车的概率,因为他们正在探索月球上的这些阴影区域。
此外,该小组希望设计一种方法,帮助最大限度地提高太阳能漫游车安全完成任务的概率。
首先,我们需要定义太阳能漫游车在月球南极‘安全’意味着什么,拉马尔解释道。
为了做到这一点,我们关注漫游车在什么地方、什么时间离开PSR,以及它的电池还剩多少能量。
这表明了漫游车在下一段任务之前是否可以在原地冬眠 因此,在那之前保持安全。
然后,我们计算一种在线遍历规划方法,漫游车可以从任何起始状态 包括PSRs内部开始遵循该方法,以最大化其生存概率。
拉马尔及其同事概述的规划方法被称为恢复政策,因为它本质上是一种后备策略,允许漫游车最大限度地增加到达安全的机会 即阳光将到达的区域,为其电池充电。
在他们的论文中,研究人员表明,在这种情况下计算这种复苏政策可能具有挑战性,因为它需要几个近似值,如果非常不正确,可能会影响整体预测的可靠性。
例如,时间是我们状态空间的连续维度,需要离散化,拉马尔说。
我们需要确保这种近似/离散化不会危险地扭曲对故障概率的预测。
在月球南极,太阳光照是高度动态的;附近的山脉和环形山可能会在地表投下巨大的阴影。
如果与 近似政策假设相比,漫游者稍微落后于计划,它可能会错过关键的太阳能充电期。
如果比政策设想的提前一点,也是如此。
由于这些时间近似值极大地影响了太阳能漫游车回收政策的可靠性,拉马尔和他的同事们保持了高度保守。
这最终将失败的风险降至最低,同时增加了该策略在现实任务中保持安全的可能性。
我们认为这种方法在许多方面都是有用的,拉马尔说。
首先,它代表着向远程自主移动规划算法迈出了一步,该算法主动考虑 或‘推理’太阳能漫游车的风险。
此外,我们的技术可以成为人类操作员在月球南极制定新的月球车任务的有用工具 它可以用于着陆点选择、全球遍历规划和风险预测等,甚至可以通过地面回路操作支持正在进行的任务。
在未来,这个研究小组引入的回收政策可以应用于月球上的真实世界探索任务,以降低在阴影区域丢失太阳能漫游车的风险。
由于最近的研究是与美国宇航局的JPL合作进行的,这种方法很快就可以在各种现实的月球场景中进行测试。
到目前为止,我们使用Cabeus环形山的轨道数据测试了我们的方法,但我们希望使用美国宇航局定制的太阳照明地图,并将我们的技术应用于月球南极的许多其他区域,这些区域有一天将被机器人或载人任务访问,如Shackleton,Faustini,Nobile,Haworth和Shoemaker环形山,Lamarre补充道。
此外,我们目前正在研究新一代风险预测远程导航算法,用于利用太阳能漫游车探索月球南极。
月球,太阳系中第五大行星地球卫星
例如在我们民间最有名是嫦娥奔月,这个神话故事一直流芳百世。
许多科学家一直在探索其中奥秘,,最终在1969年时候宇航员终于登上了月亮,开启了对外空世界新的探索篇章。
月球简介图片中就是我们地球的卫星,这是太阳系中第五大行星。
月球直径是地球的四分之一,质量是地球的八十一分之一,距离地球有38万千米,其质量在太阳系中最大,对于月球形成,一些科学家推测可能是在45亿年前。
在月球表面有阴暗和明亮区域,亮区是高地,称为月陆;暗区是平原,称为月海。
月球的表面被巨大的玄武岩层所覆盖,除了玄武岩构造,月球的阴暗区,还存在其他火山特征。
大部分月球火山的年龄在30-40亿年之间;典型的阴暗区平原,年龄为35亿年;最年轻的月球火山也有1亿年的历史。
月食现象是指当月球行至地球的阴影后时,太阳光被地球遮住。
月食现象可分为月偏食、月全食两种,当月球只有部分进入地球的本影时,就会出现月偏食;而当整个月球进入地球的本影之时,就会出现月全食。
人类登月在1969年7月时候,美国阿波罗载着三位宇航员成功登上了月球,这是人类历史上首次出现。
直到今天,月球上一共插上了6面美国国旗。
据有关报道,在美国登陆月球之后看到了外星人的采矿器和一些外星飞船。
在2013年中国嫦娥三号机器人首次登陆了月球,圆了国人多年的探月梦。
接下来重点就是嫦娥四号选择是难度极大的月球背面登陆,希望中国嫦娥四号能成功发射,能成功着陆月球背面,成功向地球人类送回珍贵的月球数据。