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