Stichting FOM
16 september 2011, 2011/38
Computermodel voor kernfusie verklaart plasmabogen op de zon
Aan het oppervlak van de zon ontstaan continu protuberansen. Dat zijn
bogen van gemagnetiseerd plasma die in de ijle zonneatmosfeer blijven
zweven door magneetkracht. Een protuberans is vele malen groter dan de
aarde en tot honderden malen dichter en koeler dan zijn omgeving.
Plasmafysici dr. Jan-Willem Blokland van FOM-Instituut Rijnhuizen en
prof.dr. Rony Keppens van de Universiteit Leuven presenteren nu een
model dat het bewegende zonneplasma voor het eerst tot in detail
beschrijft. De twee natuurkundigen publiceerden twee papers over hun
resultaten in het vooraanstaande vakblad Astronomy & Astrophysics.
Figuur 1. Opengewerkte protuberans (plasmaboog op het zonneoppervlak)
vergroten Figuur 1. Opengewerkte protuberans (plasmaboog op het
zonneoppervlak)
In grijs: twee condensaten, regio's met hogere druk dan hun omgeving.
De blauwe doorsnede geeft de druk in de hele protuberans weer. Het
model laat zien dat de magneetlijnen (rood) in een protuberans in een
helix om de gebieden met hogere druk heen draaien.
credit: A&A / J.-W. Blokland
Figuur 2. Dwarsdoorsnede van figuur 1
vergroten Figuur 2. Dwarsdoorsnede van figuur 1
de contouren geven de drukverschillen in de protuberans aan. Deze twee
structuren binnenin de protuberans hebben een hogere druk en lagere
temperatuur dan hun omgeving.
credit: A&A / J.-W. Blokland
Het plasma waar onze zon en andere sterren uit bestaan is materie van
zo'n hoge temperatuur, dat de atomen opbreken in geladen deeltjes.
Plasma stroomt zoals een gas en reageert daarnaast sterk op elektrische
en magnetische velden. Het plasma wekt zulke velden ook op door zijn
eigen beweging. Het is bijna onhaalbaar om in een computermodel
rekening te houden met al die wisselwerkingen. Daarom beschrijven
onderzoekers plasma vaak met vereenvoudigde rekenmodellen, warin
bijvoorbeeld variaties in de druk of in het omringende magneetveld niet
worden meegenomen. Blokland en Keppens slaagden erin al die
verschijnselen wél realistisch te modelleren met de gekoppelde
computermodellen FINESSE en PHOENIX.
Seismologie - trillend plasma
Een goed voorbeeld van het complexe zonneplasma zijn de protuberansen
die boven het oppervlak van de zon zweven. Het zijn enorme bogen van
gloeiendheet plasma dat gevangen zit in de magneetvelden van de zon.
Volgens theoretisch natuurkundige Jan-Willem Blokland bestaan de
plasmabogen uit trillende buizen van geladen deeltjes, met hete en
koude binnenschillen. "In die protuberansen gebeurt een hoop", legt
Blokland uit. "Net als in een gitaarsnaar lopen er trillingen door zo'n
protuberans. Alles reageert op alles: golvende bewegingen van het
plasma, maar ook van de elektromagnetische velden. Het resultaat is een
hele serie van modes, aangeslagen toestanden van de plasmaboog."
In het vakblad Astronomy & Astrophysics rekenen Blokland en Keppens
voor, hoe je het complexe samenspel in een protuberans kunt
beschrijven. Daardoor kunnen ze voorspellen, op welke manieren zo'n
gespannen plasmaboog kan trillen en bewegen: alsof je voor het eerst
een catalogus hebt van de verschillende trillingen die een aardbeving
opwekt in de aarde. De twee onderzoekers denken met zulke prominence
seismology veel meer inzicht te krijgen in het gedrag van onze ster:
"Als je eenmaal weet hoe welke trillingen en bewegingen er in zo'n
gespannen snaar van plasma voorkomen, kun je uit satellietwaarnemingen
veel meer afleiden over wat er precies plaatsvindt op de zon.
Computermodel uit de kernfusie
Het FINESSE / PHOENIX-rekenmodel waarmee Blokland en Keppens
protuberansen beschrijven komt oorspronkelijk uit de wereld van
kernfusie. Fusie-onderzoekers proberen de energiebron van de zon na te
bootsen als nieuwe vorm van schone, veilige energie. In een
tokamak-reactor verhitten ze hun brandstof tot het een plasma van
honderden miljoenen graden is. In dat hete plasma ontstaan vanzelf
instabiliteiten en turbulentie. Die beïnvloeden hoe gemakkelijk warmte
weglekt naar de rand van het plasma. Controle over die instabiliteiten
is essentieel om de fusiereactor efficiënt te laten werken. Daarom
hebben fusie-experts uitgebreide rekenmodellen om de bewegingen in het
plasma tot in de kleinste details in kaart te krengen. Die
rekenmodellen bleken ook geschikt om het plasma van de zon te
begrijpen.
"Het mooie van de natuurwetten van plasma is dat ze schaalinvariant
zijn: met een en dezelfde set vergelijkingen beschrijven je zowel de
enorme massa's plasma op de zon, als de paar kubieke meter plasma in
een fusiereactor. Zo kun je ook een protuberans op de zon doorrekenen.
En omgekeerd: door onze theorie te testen op het gedrag van de zon,
leren we misschien weer meer over het plasma in fusiereactoren."
Filmbestand: Protuberans gaat over in een coronal mass ejection
(uitbarsting van plasma).
Contact
Dr. Jan-Willem Blokland (Theoretisch natuurkundige, FOM-Instituut voor
Plasmafysica Rijnhuizen), (030) 609 69 73.
Drs. Gieljan de Vries (Publieksvoorlichting, FOM-Instituut voor
Plasmafysica Rijnhuizen), (030) 609 69 02.
Referenties (de pdf-bestanden van de artikelen zijn op te vragen bij
Gieljan de Vries)
Toward detailed prominence seismology
Astronomy & Astrophysics, Volume 532, August 2011
I. Computing accurate 2.5D magnetohydrodynamic equilibria
DOI 10.1051/0004-6361/201117013
II. Charting the continuous magnetohydrodynamic spectrum
DOI 10.1051/0004-6361/201117014