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Earth's Alfvén Wings: Unveiling Dynamic Variations of Field-line Topologies with Electron Distributions

MMS मिशन डेटा का उपयोग करते हुए, यह अध्ययन 24 अप्रैल, 2023 की सब-अल्फ़वेनिक मैग्नेटिक क्लाउड घटना के दौरान विभिन्न चुंबकीय टोपोलॉजी में अद्वितीय इलेक्ट्रॉन वितरण हस्ताक्षरों को अभिलक्षित करता है, जो यह प्रकट करता है कि कैसे पृथ्वी का मैग्नेटोस्फीयर अल्फ़वेन विंग्स में परिवर्तित हो गया और उत्तरवर्ती IMF स्थितियों के तहत बर्स्टी मैग्नेटिक रिकनेक्शन के प्रमाण प्रदान करता है।

मूल लेखक: Harsha Gurram, Jason R. Shuster, Li-Jen Chen, Hiroshi Hasegawa, Richard E. Denton, Brandon L. Burkholder, Jason Beedle, Daniel J. Gershman, James Burch

प्रकाशित 2026-04-15

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Harsha Gurram, Jason R. Shuster, Li-Jen Chen, Hiroshi Hasegawa, Richard E. Denton, Brandon L. Burkholder, Jason Beedle, Daniel J. Gershman, James Burch

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

बड़ी तस्वीर: जब पृथ्वी की ढाल पंखों में बदल जाती है

कल्पना कीजिए कि पृथ्वी एक ऐसे जहाज की तरह है जो अदृश्य कणों की एक नदी के बीच से गुजर रही है जिसे सौर पवन (solar wind) कहा जाता है। आमतौर पर, यह नदी बहुत तेज़ बहती है (ध्वनि की गति से भी तेज़)। जब एक तेज़ नदी किसी चट्टान (पृथ्वी) से टकराती है, तो यह उसके सामने एक विशाल, अशांत क्षेत्र बनाती है जिसे बो शॉक (bow shock) कहा जाता है। यह शॉक वेव जहाज से टकराने से पहले पानी की गति को धीमा कर देती है।

लेकिन 24 अप्रैल, 2023 को कुछ अजीब हुआ। सूर्य पर एक विशाल विस्फोट (एक कोरोनल मास इजेक्शन या CME) ने पृथ्वी की ओर चुंबकीय ऊर्जा का एक बादल भेजा। हालाँकि, यह बादल बहुत पतला और खाली था। इसके भीतर की सौर पवन इतनी धीमी हो गई कि वह "सब-अल्फ़वेनिक" (चुंबकीय तरंगों से धीमी) हो गई।

उपमा: सौर पवन को एक हाई-स्पीड ट्रेन की तरह समझें। आमतौर पर, यह एक दीवार (बो शॉक) से टकराती है और रुक जाती है। लेकिन उस दिन, ट्रेन रेंगने जैसी धीमी गति पर आ गई। क्योंकि यह टकराने के लिए पर्याप्त तेज़ नहीं थी, इसलिए वह "दीवार" गायब हो गई। इसके बजाय, चुंबकीय क्षेत्र रेखाओं ने पृथ्वी के चारों ओर खुद को लपेटा और अंतरिक्ष में दो विशाल, ट्यूब जैसे पंखों की तरह फैल गया।

इसे अल्फ़वेन विंग (Alfvén Wing) कॉन्फ़िगरेशन कहा जाता है। यह एक ऐसा आकार है जिसे पृथ्वी पर बहुत कम देखा जाता है, लेकिन हम इसे अपने चंद्रमा, गेनीमेड (Ganymede) पर अक्सर देखते हैं।

मिशन: अंतरिक्ष का "माइक्रोस्कोप"

इस दुर्लभ घटना का अध्ययन करने के लिए, नासा ने चार छोटे अंतरिक्ष यान जिन्हें MMS (मैग्नेटोस्फेरिक मल्टीस्केल) कहा जाता है, सीधे इस हलचल के बीच में भेज दिए। MMS को एक हाई-स्पीड कैमरे के रूप में सोचें जिसमें एक सुपर-मैग्नीफाइंग ग्लास लगा हो। जहाँ अन्य उपग्रह केवल चुंबकीय क्षेत्रों के "आकार" को देख सकते हैं, वहीं MMS व्यक्तिगत इलेक्ट्रॉन (छोटे, ऋणात्मक रूप से आवेशित कण) को इधर-उधर दौड़ते हुए देख सकता है।

वैज्ञानिक एक सरल प्रश्न का उत्तर देना चाहते थे: जब ये इलेक्ट्रॉन इन अलग-अलग चुंबकीय "कमरों" से गुजरते हैं, तो वे कैसे दिखते हैं?

चार "कमरे" और उनके इलेक्ट्रॉन सिग्नेचर

जैसे ही अंतरिक्ष यान इस नए "पंख" वाले आकार के माध्यम से उड़ा, वह चार अलग-अलग प्रकार के चुंबकीय क्षेत्रों से गुजरा। प्रत्येक क्षेत्र में इलेक्ट्रॉन का एक अनूठा "व्यक्तित्व" या सिग्नेचर था:

अनशॉकड सोलर विंड (खुली सड़क):
- वाइब (Vibe): यह पृथ्वी के प्रभाव के बाहर का सामान्य अंतरिक्ष है।
- इलेक्ट्रॉन सिग्नेचर: यहाँ इलेक्ट्रॉन प्रकाश की एक केंद्रित किरण (जिसे स्ट्राहल/strahl कहा जाता है) की तरह हैं। वे सूर्य से सीधे आ रहे हैं, जैसे एक लेजर पॉइंटर।
डॉन और डस्क विंग्स (वन-वे स्ट्रीट्स):
- वाइब: ये पृथ्वी से बाहर की ओर फैलने वाले दो "पंख" हैं।
- इलेक्ट्रॉन सिग्नेचर: यहाँ इलेक्ट्रॉन ऊर्जावान हैं और केवल एक दिशा में दौड़ रहे हैं।
  - डॉन विंग (सुबह की तरफ) पर, इलेक्ट्रॉन पृथ्वी से दूर जा रहे हैं।
  - डस्क विंग (शाम की तरफ) पर, इलेक्ट्रॉन पृथ्वी की ओर आ रहे हैं।
- उपमा: एक ऐसे हाईवे की कल्पना करें जहाँ सभी कारें केवल एक ही लेन में चल रही हैं। दिशा बताती है कि आप किस "पंख" पर हैं।
"फ्रेशली क्लोज्ड" ज़ोन (नया लूप):
- वाइब: यह सबसे रोमांचक हिस्सा है। कभी-कभी, सूर्य की चुंबकीय क्षेत्र रेखाएं पृथ्वी के क्षेत्र से जुड़ जाती हैं, और एक बंद लूप बनाने के लिए तेजी से बंद हो जाती हैं।
- इलेक्ट्रॉन सिग्नेचर: यहीं पर जादू होता है। वैज्ञानिकों ने यहाँ चार अलग-अलग समूहों के इलेक्ट्रॉन पाए:
  - कुछ "पुराने" सौर पवन इलेक्ट्रॉन हैं जो धीरे-धीरे खत्म हो रहे हैं।
  - दो अत्यधिक ऊर्जावान इलेक्ट्रॉन समूह हैं जो एक ही समय में दोनों दिशाओं (पृथ्वी की ओर और पृथ्वी से दूर) में दौड़ रहे हैं।
- उपमा: एक हाल ही में बंद किए गए सुरंग की कल्पना करें। आप दोनों सिरों से उच्च गति से आती हुई कारों को देखते हैं, जबकि बाहर का पुराना ट्रैफिक बस साफ होने की प्रक्रिया में है। यह साबित करता है कि एक "चुंबकीय पुल" अभी-अभी बनाया गया है।
"एज्ड" ज़ोन (पुराना लूप):
- वाइब: ये वही बंद लूप हैं, लेकिन ये काफी समय से मौजूद हैं।
- इलेक्ट्रॉन सिग्नेचर: "पुराने" सौर पवन इलेक्ट्रॉन पूरी तरह से गायब हो चुके हैं। ऊर्जावान इलेक्ट्रॉन अभी भी वहां हैं, लेकिन वे बिखरे हुए और अस्त-व्यस्त हैं, जैसे कि वे कारें जो लंबे समय से चक्कर लगा रही हैं और अब थककर बिखर गई हैं।

पुनर्संयोजन (Reconnection) का "ऑन/ऑफ" स्विच

इस पेपर की सबसे शानदार खोज यह है कि वैज्ञानिक बता सके कि चुंबकीय पुनर्संयोजन (चुंबकीय रेखाओं का आपस में जुड़ना) कब चालू (ON) हो रहा था और कब बंद (OFF) हो रहा था।

जब पुनर्संयोजन ON होता है: आप उन उच्च-ऊर्जा वाले इलेक्ट्रॉनों को दोनों दिशाओं में दौड़ते हुए देखते हैं। यह एक नल चालू होने जैसा है, जो हर तरफ पानी (इलेक्ट्रॉन) छिड़क रहा है।
जब पुनर्संदन OFF होता है: उच्च-ऊर्जा वाला छिड़काव रुक जाता है। आपको केवल "पुराने" इलेक्ट्रॉन दिखाई देते हैं जो बस बह रहे हैं। यह नल बंद होने जैसा है, और पानी बस स्थिर पड़ा है।

इलेक्ट्रॉनों की "अस्त-व्यस्तता" और दिशा को देखकर, वैज्ञानिक ठीक से बता सके कि कब चुंबकीय पुल बनाए जा रहे थे और कब वे रुक गए।

यह क्यों मायने रखता है?

यह अध्ययन इसलिए महत्वपूर्ण है क्योंकि यह पहली बार है जब हमने इस "विंग" परिवर्तन के दौरान इलेक्ट्रॉन के नजरिए से पृथ्वी के मैग्नेटोस्फीयर को देखा है।

यह दुर्लभ है: हम इसे पृथ्वी पर अक्सर नहीं देखते, लेकिन यह बृहस्पति के चंद्रमा, गेनीमेड पर हर समय होता है। यहाँ इसका अध्ययन करके, हम सीखते हैं कि ग्रह अपने सितारों के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं।
यह एक नया टूल है: केवल चुंबकीय क्षेत्र रेखाओं (जो अदृश्य हैं) को देखने के बजाय, अब हम इलेक्ट्रॉन "पदचिह्नों" (footprints) का उपयोग करके अंतरिक्ष के अदृश्य चुंबकीय आकारों का मानचित्र बना सकते हैं।
यह भविष्यवाणी करने में मदद करता है: चुंबकीय "पंखों" के बनने और उनके माध्यम से ऊर्जा कैसे चलती है, इसे समझने से हमें अंतरिक्ष के मौसम (space weather) की बेहतर भविष्यवाणी करने में मदद मिलती है, जिससे हमारे उपग्रहों और पावर ग्रिड की रक्षा की जा सकती है।

संक्षेप में: पृथ्वी की चुंबकीय ढाल का आकार बदलकर दो विशाल पंखों में बदल गया। इन पंखों में नन्हे इलेक्ट्रॉनों के व्यवहार को देखकर, वैज्ञानिकों ने यह पता लगाया कि कैसे चुंबकीय "दरवाजे" खुल और बंद हो रहे थे, जिससे ऊर्जा के एक ऐसे गतिशील नृत्य का खुलासा हुआ जिसे हमने पहले इतनी स्पष्टता से कभी नहीं देखा था।

यहाँ Geophysical Research Letters में प्रस्तुत शोध पत्र "Earth's Alfvén Wings: Unveiling Dynamic Variations of Field-line Topologies with Electron Distributions" का विस्तृत तकनीकी सारांश दिया गया है।

1. समस्या विवरण (Problem Statement)

सामान्य सौर पवन (solar wind) स्थितियों के तहत, पृथ्वी का मैग्नेटोस्फीयर एक 'बो शॉक' (bow shock) द्वारा अभिलक्षित होता है जो सुपर-अल्फेनिक प्रवाह को धीमा कर देता है और एक मैग्नेटोटेल (magnetotail) बनाता है। हालाँकि, विशिष्ट कोरोनल मास इजेक्शन (CME) घटनाओं के दौरान, सौर पवन का घनत्व काफी कम हो सकता है जबकि चुंबकीय क्षेत्र तीव्र हो जाता है, जिससे सब-अल्फेनिक स्थितियाँ (मैक संख्या $M_A < 1$ ) उत्पन्न होती हैं। इन दुर्लभ परिदृश्यों में, कोई बो शॉक नहीं बनता है। इसके बजाय, मैग्नेटोस्फीयर एक ऐसी संरचना में बदल जाता है जिसमें पृथ्वी से इंटरप्लेनेटरी मैग्नेटिक फील्ड (IMF) के साथ अल्फेनिक विंग्स (Alfvén wings) के रूप में ट्यूब जैसी संरचनाएँ बनती हैं, जो प्लाज्मा को धीमा करने का कार्य करती हैं।

जबकि वैश्विक सिमुलेशन ने इस परिवर्तन की भविष्यवाणी की है, इन अद्वितीय टोपोलॉजी के भीतर इलेक्ट्रॉन वितरण फलनों (eVDFs) के लक्षण वर्णन के लिए इन-सीटू (in-situ) अवलोकन संबंधी डेटा का अभाव रहा है। पिछले अध्ययन उपकरणों की सीमाओं के कारण सीमित थे, जिससे यह समझने में एक अंतराल रह गया कि जब मैग्नेटोस्फीयर बो-शॉक विन्यास से अल्फेनिक विंग विन्यास में परिवर्तित होता है, तो चुंबकीय पुनर्संयोजन (magnetic reconnection) और इलेक्ट्रॉन गतिशीलता कैसे व्यवहार करती है।

2. कार्यप्रणाली (Methodology)

घटना चयन (Event Selection): यह अध्ययन 24 अप्रैल, 2023 की CME मैग्नेटिक क्लाउड (MC) घटना पर केंद्रित है, जहाँ मैग्नेटोस्फेरिक मल्टीस्केल (MMS) मिशन ने सब-अल्फेनिक सौर पवन ( $M_A < 1$ ) का अनुभव किया, जिसमें घनत्व $\sim 5 \text{ cm}^{-3}$ से घटकर $\sim 0.5 \text{ cm}^{-3}$ हो गया और एक मजबूत IMF $B_y$ घटक देखा गया।
उपकरण (Instrumentation): डेटा MMS1 अंतरिक्ष यान से प्राप्त किया गया था, जिसमें निम्नलिखित का उपयोग किया गया:
- फास्ट प्लाज्मा इन्वेस्टिगेशन (FPI): उच्च-रिज़ॉल्यूशन इलेक्ट्रॉन और आयन वेलोसिटी डिस्ट्रीब्यूशन फंक्शन्स (VDFs) और ऊर्जा फ्लक्स के लिए।
- फ्लक्सगेट मैग्नेटोमीटर (FGM): चुंबकीय क्षेत्र वेक्टर माप के लिए।
विश्लेषणात्मक दृष्टिकोण (Analytical Approach):
- लेखकों ने समानांतर ( $f_{||}$ ) और एंटी-पैरलल ( $f_{anti-||}$ ) इलेक्ट्रॉन ऊर्जा फ्लक्स का विश्लेषण किया।
- उन्होंने सौर पवन स्ट्राल (strail) इलेक्ट्रॉनों के बाइपोलर हस्ताक्षरों और पुनर्संयोजित क्षेत्रों के यूनिपोलर हस्ताक्षरों के बीच अंतर को देखने के लिए अंतर ( $f_{||} - f_{anti-||}$ ) की गणना की।
- $v_{||} - v_{\perp 1}$ प्ले में 2D इलेक्ट्रॉन वेलोसिटी डिस्ट्रीब्यूशन फंक्शन्स (eVDFs) का परीक्षण किया गया ताकि विशिष्ट इलेक्ट्रॉन आबादी (स्ट्राल, थर्मल, और ऊर्जावान keV बीम) की पहचान की जा सके।
- अध्ययन ने चुंबकीय टोपोलॉजी (अनशॉक सौर पवन, अल्फेनिक विंग फिलामेंट्स, और नए बंद चुंबकीय क्षेत्र रेखाओं) को सीधे पुनर्संयोजन डिफ्यूजन क्षेत्र से गुजरे बिना मैप करने के लिए इन इलेक्ट्रॉन हस्ताक्षरों का उपयोग किया।

3. मुख्य योगदान (Key Contributions)

यह अध्ययन इलेक्ट्रॉन वितरणों का पहला लक्षण वर्णन प्रदान करता है जो सब-अल्फेनिक सौर पवन और अल्फेनिक विंग फ्लक्स ट्यूब के भीतर स्थित हैं। इसके प्राथमिक योगदान निम्नलिखित हैं:

"डुअल-विंग पुनर्संयोजन" (Dual-Wing Reconnection) की पहचान: एक विशिष्ट पुनर्संयोजन प्रक्रिया को परिभाषित करना जहाँ ड्रैप्ड (draped) IMF चुंबकीय क्षेत्र रेखाएं डॉन (dawn) और डस्क (dusk) दोनों अल्फेनिक विंग चुंबकीय रेखाओं के साथ पुनर्संयोजित होती हैं, जिससे नए बंद चुंबकीय टोपोलॉजी बनते हैं।
टोपोलॉजी के लिए इलेक्ट्रॉन ट्रेसर: विशिष्ट eVDF हस्ताक्षर स्थापित करना जो इनके बीच अंतर करते हैं:
- अनशॉक सौर पवन (बाइपोलर स्ट्राल)।
- डॉन और डस्क विंग फिलामेंट्स (एकदिशीय ऊर्जावान बीम)।
- नए बंद चुंबकीय क्षेत्र रेखाएं (द्विदिशीय ऊर्जावान इलेक्ट्रॉन)।
पुनर्संयोजन अवस्था निदान (Reconnection State Diagnosis): यह प्रदर्शित करना कि कैसे इलेक्ट्रॉन पिच-एंगल डिस्पर्शन और जनसंख्या रिक्तीकरण (depletion) का उपयोग एक चुंबकीय क्षेत्र रेखा की "आयु" का अनुमान लगाने और यह निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है कि पुनर्संयोजन स्थल सक्रिय है या सुप्त (dormant) है।

4. मुख्य परिणाम (Key Results)

MMS1 डेटा के विश्लेषण ने विभिन्न चुंबकीय टोपोलॉजी के अनुरूप विशिष्ट इलेक्ट्रॉन हस्ताक्षरों का खुलासा किया:

सब-अल्फेनिक सौर पवन (MC प्लाज्मा):
- इसमें एंटी-पैरलल दिशा ( $v_{||} < 0$ ) में एक संकीर्ण स्ट्राल (strail) बीम दिखाई देती है जिसकी ऊर्जा लगभग 200–300 eV होती है।
- यह फ्लक्स अंतर ( $f_{||} - f_{anti-||}$ ) में एक विशिष्ट बाइपोलर हस्ताक्षर दिखाता है।
अल्फेनिक विंग फिलामेंट्स (डॉन और डस्क):
- डस्क विंग (Dusk Wing): इसकी विशेषता ऊर्जावान एंटी-पैरलल इलेक्ट्रॉन ( $\sim 1$ keV) हैं जो पृथ्वी से प्रवाहित होते हैं, जो MC इलेक्ट्रॉन आबादी के ऊपर आरोपित (superimposed) होते हैं। पिच कोणों में प्रसार "पुरानी" (aged) क्षेत्र रेखाओं को दर्शाता है जहाँ इलेक्ट्रॉनों के बिखरने (scatter) के लिए पर्याप्त समय मिला है।
- डॉन विंग (Dawn Wing): इसकी विशेषता पृथ्वी से प्रवाहित होने वाले ऊर्जावान पैरलल इलेक्ट्रॉन हैं।
- ये विंग्स तब बनते हैं जब IMF, अंतरिक्ष यान के उत्तर या दक्षिण में मैग्नेटोस्फीयर के साथ पुनर्संयोजित होता है।
नए बंद चुंबकीय क्षेत्र रेखाएं (डुअल-विंग पुनर्संयोजन):
- ये तब बनती हैं जब IMF एक ही समय में डॉन और डस्क दोनों विंग्स के साथ पुनर्संयोजित होता है।
- हस्ताक्षर: eVDF में चार अलग-अलग इलेक्ट्रॉन आबादी की उपस्थिति:
  1. आंशिक रूप से कम ऊर्जा वाले MC इलेक्ट्रॉन (पैरलल)।
  2. आंशिक रूप से कम ऊर्जा वाले MC इलेक्ट्रॉन (एंटी-पैरलल)।
  3. उत्तर से प्रवाहित होने वाले ऊर्जावान द्विदिशीय इलेक्ट्रॉन ( $\ge 1$ keV)।
  4. दक्षिण से प्रवाहित होने वाले ऊर्जावान द्विदिशीय इलेक्ट्रॉन ( $\ge 1$ keV)।
- गतिशील परिवर्तन (Dynamic Variations): अध्ययन ने "बर्स्टी" (bursty) पुनर्संयोजन का अवलोकन किया। जब पुनर्संयोजन रुक जाता है (सुप्त अवस्था), तो क्षेत्र-संरेखित ऊर्जावान इलेक्ट्रॉन गायब हो जाते हैं, और कम ऊर्जा वाली आबादी पूरी तरह से रिक्त (depleted) हो जाती है, जो एक "पुरानी" बंद क्षेत्र रेखा का संकेत देती है।
पुनर्संयोजन आयु अनुमान (Reconnection Age Estimation):
- युवा/सक्रिय (Young/Active): क्षेत्र रेखाएं मजबूत द्विदिशीय keV फ्लक्स और अवशिष्ट कम-ऊर्जा MC आबादी दिखाती हैं।
- पुरानी/सुप्त (Old/Dormant): क्षेत्र रेखाएं कम-ऊर्जा वाली आबादी की रिक्ति और कम या अनुपस्थित द्विदिशीय keV फ्लक्स दिखाती हैं, जो यह संकेत देता है कि पुनर्संयोजन स्थल बंद हो गया है या क्षेत्र रेखा स्रोत से बहुत दूर चली गई है।

5. महत्व (Significance)

सिद्धांत का सत्यापन: यह कार्य अल्फेनिक विंग्स के निर्माण और विशिष्ट "डुअल-विंग पुनर्संयोजन" तंत्र की पुष्टि करने वाला पहला इन-सीटू अवलोकन संबंधी प्रमाण प्रदान करता है, जैसा कि वैश्विक मैग्नेटोहाइड्रोडायनामिक (MHD) सिमुलेशन द्वारा भविष्यवाणी की गई थी।
नया नैदानिक उपकरण (New Diagnostic Tool): यह इलेक्ट्रॉन वितरण फलनों को उन क्षेत्रों में चुंबकीय टोपोलॉजी और पुनर्संयोजन गतिविधि का निदान करने के लिए एक मजबूत उपकरण के रूप में स्थापित करता है जहाँ सीधे डिफ्यूजन क्षेत्र का मापन असंभव है। यह सब-अल्फेनिक शासन में स्पेस वेदर (space weather) को समझने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है।
व्यापक प्रयोज्यता: इलेक्ट्रॉन VDFs का उपयोग करके पुनर्संयोजन अवस्था और क्षेत्र रेखा की आयु का अनुमान लगाने की पद्धति को अन्य ग्रहीय मैग्नेटोस्फीयर (जैसे गेनीमेड, बृहस्पति) और सौर वायुमंडलीय घटनाओं (जैसे सौर फ्लेयर्स, फ्लक्स ट्रांसफर इवेंट्स) पर लागू किया जा सकता है, जहाँ पुनर्संयोजन अक्सर बर्स्टी और स्थानिक रूप से सीमित होता है।
पृथ्वी के मैग्नेटोस्फीयर की समझ: यह पृथ्वी के चुंबकीय वातावरण की अत्यधिक परिवर्तनशीलता को उजागर करता है, यह दिखाते हुए कि विशिष्ट CME स्थितियों के तहत, ग्रह का सुरक्षात्मक चुंबकीय कवच मौलिक रूप से एक विंग जैसी संरचना में पुनर्गठित हो सकता है, जिससे सौर पवन से मैग्नेटोस्फीयर तक ऊर्जा के परिवहन का तरीका बदल जाता है।