Vědci odhalili novou podobu turbulence ve slunečním větru

Vědci zkoumající sluneční vítr popsali nový pohled na jev, který je dobře známý z pozemského prostředí, ale v kosmickém plazmatu nabývá zcela odlišné podoby. Jde o turbulenci – chaotické, nepravidelné proudění, které si lze představit na příkladech z běžného života. Když člověk zamíchá mléko do kávy, vzniknou víry a proudy, které se postupně promíchávají a rozpadají na menší a menší struktury. Podobně se chová i oceán během bouře nebo atmosféra, kde vznikají turbulentní proudy vzduchu, jež znají piloti i meteorologové. Všechny tyto jevy mají společný základ – energie se v nich přelévá z velkých vírů do stále menších, až se nakonec rozptýlí.

Sluneční vítr je ale prostředí zásadně odlišné od vzduchu nebo vody. Nejde o neutrální plyn, nýbrž o ionizované médium, tedy plazma, ve kterém byly atomy zbaveny části svých elektronů. Částice v něm nesou elektrický náboj, a proto se jejich chování řídí nejen zákony mechaniky, ale především elektromagnetickými silami. Pohyb nabitých částic vytváří elektrická a magnetická pole, a tato pole zároveň zpětně ovlivňují pohyb částic samotných. Vzniká tak úzké propojení mezi hmotou a polem, které v klasických tekutinách, jako je vzduch nebo voda, nemá obdoby.

Další zvláštností slunečního větru je to, že jde o takzvané bezkolizní prostředí. Částice v něm jsou rozptýleny natolik řídce, že se mezi sebou prakticky nesrážejí – vzdálenosti mezi jednotlivými ionty a elektrony jsou natolik velké, že klasické srážky, jaké známe z hustších plynů, jsou zde extrémně vzácné. To je zásadní rozdíl oproti turbulenci v oceánu nebo atmosféře, kde srážky částic hrají při přenosu energie klíčovou roli. V plazmatu slunečního větru ale tuto úlohu musí převzít elektromagnetické interakce – částice na sebe působí prostřednictvím polí, nikoli přímým fyzickým kontaktem.

Tato kombinace vlastností – silná vazba na elektromagnetická pole a zároveň absence srážek – činí turbulenci ve slunečním větru svébytným fyzikálním fenoménem. Energie se v něm sice podobně jako v pozemských tekutinách přelévá z velkých škál na menší, ale mechanismus tohoto přenosu je jiný. Namísto tření a srážek mezi částicemi zde hrají roli vlny v plazmatu a interakce mezi částicemi a elektromagnetickým polem. Výsledkem je turbulence, která se sice navenek podobá chaotickému proudění známému ze Země, ale její vnitřní fyzikální podstata je výrazně komplexnější.

Pochopení tohoto jevu má praktický význam i mimo čistě akademický zájem. Sluneční vítr neustále proudí od Slunce směrem k Zemi a ovlivňuje takzvané kosmické počasí – jevy, které mohou mít dopad na družice, telekomunikační systémy či elektrické sítě na Zemi. Turbulentní procesy v plazmatu ovlivňují způsob, jakým se energie a hmota ze Slunce šíří vesmírem, a tím i to, jak intenzivně a jakým způsobem sluneční vítr interaguje se zemskou magnetosférou. Přesnější popis turbulence v bezkolizním plazmatu tak může v budoucnu přispět ke zlepšení předpovědí kosmického počasí.

Výzkum tohoto typu probíhá na základě dat získávaných kosmickými sondami, které přímo měří vlastnosti slunečního větru v blízkosti Země i dál ve vnitřní sluneční soustavě. Díky těmto měřením mohou vědci sledovat, jak se turbulentní struktury v plazmatu vyvíjejí a jak se energie přelévá mezi různými měřítky – od rozsáhlých proudů srovnatelných s velikostí planet až po jemné fluktuace na úrovni jednotlivých částic.

Fenomén turbulence ve slunečním větru tak ukazuje, že i jevy, které důvěrně známe z každodenního života, mohou ve vesmírném prostředí nabývat zcela nových podob, řízených odlišnými fyzikálními zákony. Další výzkum v této oblasti by měl pomoci lépe porozumět nejen samotnému Slunci a jeho vlivu na okolní prostor, ale obecněji i chování plazmatu, které tvoří naprostou většinu viditelné hmoty ve vesmíru.