Il vento solare come laboratorio di turbolenza

Il vento solare è il flusso continuo di plasma che lascia la calda corona solare e permea l’intera eliosfera. Durante la sua espansione, il vento solare sviluppa un carattere turbolento che si evolve verso uno stato simile alla turbolenza idrodinamica, descritta dalla teoria di Kolmogorov.

Tuttavia, il campo magnetico ha effetti non banali sulla dinamica relativa alla turbolenza. Per via del forte campo magnetico trasportato dal vento solare, le oscillazioni di bassa frequenza sono meglio descritte nel quadro fisico-matematico della magnetoidrodinamica. Interessanti analogie emergono anche tra fluido e turbolenza MHD.

Nell’ambito del progetto SOLWINDCAS (Cascade rates of magnetohydrodynamic turbulence in the solar wind), finanziato dall’UE, gli scienziati hanno studiato un metodo alternativo per descrivere la cascata di energia turbolenta: la legge di Yaglom per la turbolenza MHD.

Gli scienziati SOLWINDCAS hanno stabilito la legge di Yaglom per cascate di energia turbolenta MHD in un vento solare in espansione uniforme. La loro analisi teorica si basa su un modello di espansione a doppia scala relativo alla turbolenza MHD e ha comportato l’aggiunta di due nuovi termini alla legge di Yaglom.

Il primo termine che appare nella legge di Yaglom è relativo al deperimento dell’energia turbolenta MHD a causa di interazioni non lineari. Il secondo termine è causato dall’interazione tra campi magnetici su larga scala e su piccola scala i quali propagano onde di Alfven verso l’interno e l’esterno.

Utilizzando il campo magnetico e le misure del plasma dai veicoli spaziali WIND e Helios 2, gli scienziati hanno dimostrato che alle basse frequenze questi termini diventano paragonabili al momento misto di terzo ordine di Yaglom. Pertanto, devono essere considerati nella stima del tasso di cascata di energia del vento solare.

Successivamente, il focus del progetto SOLWINDCAS è stato posto sull’energia negativa residua nel vento solare turbolento. In particolare, le misure in situ del flusso del vento solare fluttuante dimostrano che l’energia delle fluttuazioni del campo magnetico supera quella dell’energia cinetica. Le simulazioni numeriche rivelano lo stesso comportamento.

I risultati dell’analisi teorica descrivono per la prima volta il modo in cui l’energia negativa residua nasce dalla forte turbolenza MHD. Sebbene l’energia residua sia inizialmente assente, l’energia negativa residua verrà sempre generata da onde di Alfven interagenti in modo non lineare.

Il progetto SOLWINDCAS ha fornito una spiegazione solida per le proprietà osservate in relazione al vento solare e alle simulazioni numeriche della turbolenza MHD. Il vento solare ha offerto un laboratorio naturale per testare le teorie e migliorare l’attuale comprensione della turbolenza MHD, la quale emerge anche nelle applicazioni pratiche, come per esempio i dispositivi di confinamento del plasma.