Ny forskning avslöjar hur ström begränsas i rymden / New research reveals how current is limited in space

En internationell grupp med forskare under ledning av Daniel Graham vid Institutet för rymdfysik (IRF) kan nu presentera vad som begränsar strömmen i rymden. Mätningarna är gjorda med instrument ombord på de fyra satelliterna Magnetospheric Multiscale (MMS). Resultatet är publicerat i den välrenommerade tidskriften Nature Communications.

”För första gången någonsin har vi kunnat mäta hur strömmar i rymden begränsas genom att laddade partiklar påverkar varandra via elektromagnetiska vågor. Elektriska strömmar i rymden kan begränsas utan att partiklarna kolliderar med varandra vilket är det vanliga på jorden”, säger Daniel Graham.

I rymden finns ofta starka elektriska strömmar, till exempel i solens corona eller i norrskensområden. Partiklarna är få och kolliderar sällan så motståndet är lågt.

Forskare har länge trott att vågor i elektriska och magnetiska fält i rymden kan orsaka resistans på ett sätt som liknar kollisioner men detta har fram till nu varit mycket svårt att mäta.

Tack vare observationer från NASA:s fyra MMS-satelliter som formationsflyger runt jorden har Daniel Graham lyckats sammanställa hur detta ovanliga motstånd, även kallat anomal resistivitet, av ström i rymden fungerar.

MMS-satelliterna bär med sig instrument som mäter laddade partiklar och elektriska och magnetiska fält och IRF-forskare i Uppsala har bidragit till instrumenten som mäter elektriska fält.

“Våra mätningar visar även hur vågorna orsakar diffusion som gör att laddade partiklar kan röra sig tvärs över strömskikt. Växelverkan mellan vågorna och partiklarna är viktig att förstå eftersom denna påverkar hur magnetisk omkoppling fungerar”, säger Daniel Graham.

Magnetisk omkoppling är en process i gränsskikt med strömmar, mellan två områden med laddade partiklar och magnetfält. Ett exempel är när flödet av laddade partiklar från solen, solvinden, träffar magnetfältet runt jorden. I vanliga fall är partiklarna kopplade till magnetfälten på vardera sidan om gränsskiktet, vilket innebär att de inte tar sig över det.

Magnetisk omkoppling gör att magnetfält på skiktets två sidor kan kopplas ihop och partiklar och energi från solvinden kommer in i jordens närhet. Detta kan orsaka både norrsken och kraftiga störningar i rymdvädret runt jorden.

En artikel om de första direkta mätningarna av resistivitet orsakad av växelverkan mellan laddade partiklar och vågor har publicerats i tidskriften Nature Communications med Daniel Graham som förstaförfattare.

Länk till artikeln "Direct observations of anomalous resistivity and diffusion in collisionless plasma": https://www.nature.com/articles/s41467-022-30561-8 

Kontaktpersoner:
Dr. Daniel Graham, forskare vid Institutet för rymdfysik i Uppsala.
+46 18 471 5927, daniel.graham@irfu.se

Docent Yuri Khotyaintsev, forskare vid Institutet för rymdfysik i Uppsala.
+46 72 581 33 72, yuri.khotyaintsev@irfu.se

**************************************************************************************************************

(ENG)

An international group of scientists led by Daniel Graham at the Swedish Institute of Space Physics (IRF) can now present what limits currents in space. The measurements are made with instruments on board the four Magnetospheric Multiscale (MMS) satellites and the results are published in the renowned journal Nature Communications.

“For the first time ever, we have been able to measure how currents in space are limited by charged particles interacting with each other via electromagnetic waves. Electric current in space can be limited without the particles colliding with each other, which is common near Earth”, says Daniel Graham.

In space there are often strong electric currents, for example in the Sun's corona or in northern lights areas. The particles are few and rarely collide so the resistance is low.

Scientists have long believed that waves in electric and magnetic fields in space can cause resistance in a way similar to collisions, but until now this has been very difficult to measure.

Thanks to observations from NASA's four MMS satellites flying in formation around Earth, Daniel Graham has succeeded in compiling how this unusual resistance, also known as anomalous resistivity, of current in space works.

The MMS satellites carry instruments that measure charged particles and electric and magnetic fields, and IRF scientists in Uppsala have contributed to the instruments that measure electric fields.

“Our measurements also show how the waves cause diffusion that allows charged particles to move across current layers. The interaction between the waves and the particles is important to understand as this affects how magnetic reconnection works”, says Daniel.

Magnetic reconnection is a process that can occur boundary layers with currents, between two areas with charged particles and magnetic fields. An example is when the flow of charged particles from the sun, the solar wind, hits the magnetic field around Earth. In normal cases, the particles are connected to the magnetic fields on either side of the boundary layer, which means that they do not cross it.

Magnetic reconnection means that magnetic fields on the two sides of the layer can be connected so that particles and energy from the solar wind enter the vicinity of Earth. This can cause both aurora borealis and severe disturbances in space weather around Earth.

An article on the first direct measurements of resistivity caused by the interaction between charged particles and waves has been published in the journal Nature Communications with Daniel Graham as the first author.

Link to the article "Direct observations of anomalous resistivity and diffusion in collisionless plasma:" https://www.nature.com/articles/s41467-022-30561-8

Contact persons:
Dr. Daniel Graham, scientist, Swedish Institute of Space Physics in Uppsala
+46 18 471 5927, daniel.graham@irfu.se

Associated prof. Yuri Khotyaintsev, scientist, Swedish Institute of Space Physics in Uppsala
+46 72 581 33 72, yuri.khotyaintsev@irfu.se