Новое исследование, опубликованное на этой неделе в журнале Physics of Plasmas от AIP Publishing, использует компьютерное моделирование, чтобы показать, что облако плазмы, образовавшееся в результате удара частицы, отвечает за создание разрушительного электромагнитного импульса. Они показывают, что по мере того, как плазма расширяется в окружающий вакуум, ионы и электроны движутся с разной скоростью и разделяются, создавая радиочастотное излучение.«В течение последних нескольких десятилетий исследователи изучали эти сверхскоростные столкновения, и мы заметили, что существует излучение от столкновений, когда частицы движутся достаточно быстро», — сказал ведущий автор Алекс Флетчер, ныне научный сотрудник Центра космической физики Бостонского университета. . «На самом деле никто не смог объяснить, почему он существует, откуда он исходит или какой физический механизм стоит за этим».
Исследование является шагом к проверке теории старшего автора Сигрид Клоуз, доцента аэронавтики и космонавтики Стэнфордского университета. В 2010 году Клоуз и его коллеги опубликовали первоначальную гипотезу о том, что сверхскоростная ударная плазма ответственна за несколько отказов спутников.Чтобы смоделировать результаты воздействия плазмы на сверхскоростной удар, исследователи использовали метод, называемый моделированием частиц в ячейках, который позволяет им моделировать плазму и электромагнитные поля одновременно. Они использовали детали моделирования из ранее разработанного гидрокода — вычислительного инструмента, который они использовали для моделирования динамики жидкости и твердого тела при ударе.
Исследователи позволили моделированию развиваться и рассчитали излучение, создаваемое плазмой.Когда частица ударяется о твердую поверхность на высокой скорости, она испаряет и ионизирует цель, выпуская облако пыли, газа и плазмы.
Когда плазма расширяется в окружающий вакуум (космос), ее плотность падает, и она переходит в бесстолкновительное состояние, в котором ее частицы больше не взаимодействуют напрямую друг с другом.В текущем исследовании ученые делают предположение, что электроны в этой бесстолкновительной плазме движутся быстрее, чем более крупные ионы. Их моделирование предсказывает, что это крупномасштабное разделение зарядов генерирует излучение.
Результаты модели согласуются с первоначальной теорией Клоуса, но предсказывают более высокую частоту излучения, чем исследователи обнаружили экспериментально.Авторы указывают, что предположение о массовом движении электронов по мере их отделения от ионов заслуживает более пристального внимания. Группа создает новые модели, чтобы проверить, достаточно ли перехода в бесстолкновительное состояние для создания разделения.
Флетчер также отмечает, что они не учли пыль.«Удар создает частицы пыли, которые взаимодействуют с плазмой», — сказал Флетчер. Динамика этой «пылевой плазмы» — область будущих исследований.
Следующим шагом в работе является использование моделирования для количественной оценки генерируемого излучения, чтобы они могли оценить угрозу для спутников и разработать способы защиты спутников и космических аппаратов от метеороидов и орбитального мусора.«Более половины электрических отказов необъяснимы, потому что очень сложно провести диагностику спутника, который выходит из строя на орбите», — сказал Флетчер. «Мы считаем, что можем приписать некоторые из этих сбоев этому механизму».