Z Plazmawiki
Skocz do: nawigacja, szukaj
Eksperyment z krytyczną prędkością jonizacji na pokładzie promu kosmicznego Discovery (STS-39), polegający na uwolnieniu chmury podtlenku azotu. Full text

Krytyczna prędkość jonizacji (zwana również z angielska CIV, prędkość krytyczna, CV) to względna prędkość pomiędzy gazem obojętnym a zjonizowanym, przy której obojętny gaz zaczyna się jonizować. Gdy dostarczy się więcej energii, prędkość molekuł gazu nie przekroczy wartości krytycznej, dopóki gaz się niemal w całości nie zjonizuje.

zjawisko to zostało przewidziane przez szwedzkiego inżyniera i naukowca plazmowego, Hannesa Alfvéna, w powiązaniu z jego modelem powstania Układu słonecznego (1942).[1][2][3] W tym czasie nie znano mechanizmu tego zjawiska, lecz teoria ta została następnie zademonstrowana laboratoryjnie.[4] Późniejsze badania Brenninga i Axnäsa (1988)[5] zasugerowały, że w procesie transferu energii z większych jonów do elektronów bierze udział niestabilność dolnej hybrydowej plazmy, przez co mają one dość energii do jonizowania. Jednak zastosowanie tej teorii do astrofizyki przyniosło szereg eksperymentów o mieszanych wynikach.[6] [7]

Wyniki eksperymentów

Pierwsze testy laboratoryjne przeprowadził Królewski Instytut Technologii w Sztokholmie, odkrywając, że (a) prędkość względna między plazmą a obojętnym gazem można zwiększać aż do prędkości krytycznej, lecz potem dodatkowa energia będzie prowadziła raczej do jonizacji gazu, niż dalszego zwiększania prędkości. (b) Prędkość krytyczna jest z grubsza niezależna od ciśnienia i pola magnetycznego.[8].

W 1970 misja Apollo 13 dostarczyła pośrednich dowodów na istnienie krytycznej prędkości jonizacji:

Fakt, że zjawisko krytycznej prędkości jonizacji istnieje nawet w plazmie kosmicznej, został odkryty przez przypadek w obrębie programu kosmicznego Apollo. Kiedy Apollo 13 miał przedwcześnie wracać na Ziemię z powodu wypadku, rakieta nośna kontynuowała lot ku Księżycowi. Gdy z dużą prędkością uderzyła w jego powierzchnię, powstała chmura pyłu i drobin, która rozeszła się z wiatrem słonecznym. Instrumenty, pozostawione na powierzchni przez Apollo 12, wykazały silny strumień energetycznych jonów. Były to jony powstałe z obojętnej chmury, następnie przyspieszone polem elektrycznym wiatru słonecznego. Przyspieszenie to było przewidziane, jednak zaskoczył fakt, że tak duża część chmury się zjonizowała. Analiza wykazała, że jedynym wyjaśnieniem byłaby krytyczna prędkość jonizacji (prędkość wiatru słonecznego, 300 - 900 km/s, znacznie przekracza krytyczną prędkość wszelkich rozważanych jonów).[9][10]

W 1973 Lars Danielsson opublikował przegląd o krytycznej prędkości jonizacji, w którym skonkludował, że zjawisko to jest dowiedzione dostateczną ilością dowodów eksperymentalnych[11]. W 1976 Alfvén zaraportował, że pierwsze obserwacje efektu krytycznej prędkości jonizacji w warunkach kosmicznych zostały zaraportowane przez Manka et al. (1972)[12] na Księżycu. Kiedy porzucony podróżny moduł księżycowy [391] zderzył się z ciemną stroną Księżyca, niedaleko terminatora, powstała chmura gazu, która, gdy się rozszerzyła dostatecznie, by wejść w zasięg wiatru słonecznego, nabrała dużej ilości supertermicznych elektronów.[13]

Krytyczna prędkość jonizacji jest obserwowana w laboratorium, np. w penumbrze wytwarzanej przez skupiacz gęstej plazmy (lub działo plazmowe). Jej występowanie w plazmie kosmicznej nie zostało potwierdzone.

W 1986 Gerhard Haerendel zasugerował, że krytyczna prędkość jonizacji może stabilizować przepływ plazmy w komie komety[14]. W 1992 E. Golbraikh i M. Filippov argumentowali, że krytyczna prędkość jonizacji może odgrywać pewną rolę w koronalnych wyrzutach masy i rozbłyskach słonecznych.[15] W tym samym roku Anthony Peratt i Gerrit Verschuur zasugerowali, że emisje neutralnego międzygwiezdnego wodoru zdradzają sygnaturę krytycznej prędkości jonizacji.[16]

Przegląd zjawiska z 2001, sporządzony przez Shu T. Lai, zaraportował, że eksperymenty laboratoryjne i symulacje komputerowe pokazują krytyczną prędkość jonizacji jako możliwą i zrozumiałą, jakkolwiek wszystkie eksperymenty w przestrzeni kosmicznej prowadzą do ujemnych wyników, z może trzema wyjątkami.[17] Również w 2001 C. Konz et al. dyskutowali krytyczną prędkość jonizacji jako możliwe wyjaśnienie emisji Hα (...) w galaktycznym halo blisko krawędzi chmur zimnego gazu w Strumieniach Magellana.[18]

W 2007 radioastronom Gerrit Verschuur zaraportował badania, które silnie sugerują występowanie w przestrzeni międzygwiezdnej mechanizmu, w którym efekt CIV wpływa na ruch obojętnego wodoru.[19] A badania fizyka Valentina A. Rantseva-Kartinova nad przebywaniem planet w pyłowych włóknach, konkludują, co następuje:

Zaprezentowane dane pokazują, że obłoki kosmicznego pyłu mają włóknistą strukturę szkieletów lub koncentrycznych cylindrów, podobną do struktur węglanowej plazmy pyłowej, występującej w laboratoryjnych eksperymentach z wyładowaniami. Konsekwencje tego odkrycia potwierdzają rolę mechanizmu CIV w akrecji ciał stałych z plazmy pyłowej, jak również występowanie SS[?] plazmie międzygwiezdnej.[20]

Rozwój teorii

Typowe krytyczne prędkości jonizacji
(Za Alfvénem (1976))
PierwiastekPotencjał jonizacji
Vjon (V)
Uśredniona
masa atomowa
Prędkość krytyczna
Vcrit (105 cm/sec)
(= km/sec)
Wodór13.51.050.9
Hel24.54.034.3
Neon21.520.214.3
Azot14.514.014.1
Węgiel11.212.013.4
Tlen13.516.012.7

Matematycznie, krytyczna prędkość jonizacji obojętnego obłoku, czyli gdy chmura zaczyna się jonizować, jest wtedy, gdy względna energia kinetyczna jest równa energii jonizacji, czyli:

\frac{1}{2} mv^2 = eV_{ion}

gdzie eVion jest potencjałem jonizacji atomów lub molekuł gazu, m jest masą, a v prędkością.

Alfvén rozważył chmurę obojętnego gazu wkraczającą do Układu Słonecznego, odnotowując, że atomy opadałyby ku Słońcu pod wpływem grawitacji, a ich energia kinetyczna rosła. Jeśliby ich ruch był losowy, zderzenia powodowałyby wzrost temperatury, zatem w określonej odległości od Słońca, gaz uległby jonizacji. Alfvén napisał, że potencjał jonizacji gazu, Vion, zachodzi, gdy:

eV_{ion} = E_g = \frac{k M m}{r}

co jest, w zależności od dystansu:

r_{i} = E_g = \frac{k M m}{eV_{ion}} = 6.9\cdot 10^{-20}M \frac{m'}{V_{ion}} = 13.5\cdot 10^{13} \frac{m'}{V_{ion}} cm

gdzie ri jest odległością jonu od słońca o masie M, m' jest masą atomu, Vion jest napięciem, k jest stałą grawitacji. Gdy gaz stanie się zjonizowany, wchodzą na scenę oddziaływania elektromagnetyczne, z których najistotniejsza jest siła magnetyczna, z reguły większa od grawitacyjnej, skutkująca magnetycznym odpychaniem od Słońca. Innymi słowy, obojętny gaz, opadający od nieskończoności ku słońcu jest zatrzymywany w odległości ri, gdzie się akumuluje, i przypuszczalnie kondensuje w planety.

Alfvén zauważył, że gdy wziąć chmurę gazu ze średnim napięciem jonizacji 12V i średnią masą atomów równą 7, wówczas odległość ri będzie zgodna z promieniem orbity Jowisza.

Krytyczna prędkość jonizacji wodoru to 50,9 x 105cm/s (50,9 km/s), a helu 34.3 x 105cm/s (34,3 km/s).[21].

Alfvén doszedł do wniosku, że krytyczna prędkość Vcrit, przy której obojętne atomy gazu, o masie ma, i potencjale jonizacji eVion, oddziałują silnie z namagnesowaną plazmą, wynosi:

V_{crit} = V_{ion} = \left(\frac{2eV_{ion}}{m_a}\right)^{1/2}

Tło

Alfvén omówił swoje podejście do prędkości krytycznej w swoich publikacjach wydanych na łamach NASA, Ewolucja Układu Słonecznego.[22] Po skrytykowaniu nieadekwantości teorii jednorodnego dysku, napisał:

... jest bardziej atrakcyjne zwrócić się ku hipotezie, że ciała drugorzędne pochodzą od materii opadającej z nieskończoności (odległości dużej w porównaniu z orbitą satelity). Materia ta (po zatrzymaniu i nabraniu odpowieniego momentu kątowego) akumuluje się w określonej odległości od ciała centralnego. Proces taki może mieć miejsce, gdy atomy bądź molekuły, podczas swobodnego opadania, osiągają energię kinetyczną równą ich energii jonizacji. Na tym etapie gaz staje się zjonizowany na skutek procesu omówionego w 21.4; zostaje wówczas zatrzymany przez pole magnetyczne ciała centralnego i otrzymuje moment kątowy poprzez transfer z ciała centralnego, co omówiono w sekcji 16.3.

Wyjaśnienie

Carl-Gunne Fälthammar napisał:

Na podstawie eksperymentów możliwe jest wyklarowanie, co się dzieje (Raadu 1978)[23]: gdy prędkość względna pomiędzy plazmą a obojętnym gazem osiąga krytyczną wartość, powstają niestabilności prowadzące do silnych fluktuacji pola elektrycznego, które przekierowują energię z ruchu względnego (pomiędzy gazem a plazmą) do elektronów plazmy. Te z kolei mogą łatwo jonizować cząstki gazu. W celu spowodowania niestabilności wystarczy najmniejsza jonizacja (np. na skutek promieniowania kosmicznego), która następnie rośnie jak lawina. Aczkolwiek pewne problemy wciąż czekają na rozwiązanie (Brenning i Axnas 1988)[5][24].

Przypisy

  1. Hannes Alfvén "On the cosmogony of the solar system", in Stockholms Observatoriums Annaler (1942) Part I Part II Part III FULL TEXT
  2. Hannes Alfvén, On the Origin of the Solar System. Oxford: Clarendon Press, 1954 ACADEMIC BOOK
  3. Hannes Alfvén, Collision between a nonionized gas and a magnetized plasma, Rev. Mod. Phys., vol. 32, p. 710, 1960 PEERREVIEWED
  4. U.V. Fahleson, "Experiments with plasma moving through neutral gas", Phys. Fluids, 4 123 (1961) PEERREVIEWED
  5. 5,0 5,1 Brenning, N ., Axnas, I: "Critical ionization velocity interactions : Some unsolved problems" FULL TEXT, (1988) Astrophys. Space Sci. 144 15 PEERREVIEWED
  6. R. Torbert,: "Review of ionospheric CIV experiments", XXVIIth COSPAR Meet., (1988) Helsinki, Finland, paper XIII.2. 1
  7. Lai, Shu T., A review of critical ionization velocity] (2001) Reviews of Geophysics, Volume 39, Issue 4, p. 471-506 PEERREVIEWED
  8. U.V. Fahleson, "Experiments with plasma moving through neutral gas", Phys. Fluids, 4 123 (1961) PEERREVIEWED
  9. Carl-Gunne Falthammar, Space Physics,FULL TEXT PDF section 6.4. The Critical Velocity, p.135. 2nd Ed. 2001
  10. Freeman, J. W., Jr.; Hills, H. K.; Fenner, M. A., "Some results from the Apollo 12 Suprathermal Ion Detector",FULL TEXT (1973) Proceedings of the Lunar Science Conference, vol. 2, p.2093
  11. Lars Danielsson, "Review of the Critical Velocity of Gas-Plasma Interaction. I: Experimental Observations" FULL TEXT, Astrophysics and Space Science (1973) PEERREVIEWED
  12. Manka, R. H., et al, "Evidence for acceleration of lunar ions", in Lunar Science III, C. Watkins, ed., (The Lunar Science Institute, Houston, Tx.): 504. (1972)
  13. Hannes Alfvén, "Mass Distribution and the Critical Velocity" FULL TEXT, Evolution of the Solar System (1976)
  14. G. Haerendel: "Plasma flow and critical velocity ionization in cometary comae", (1986) Geophys. Res. Lett. 13 25 5 PEERREVIEWED
  15. Golbraikh, E. I.; Filippov, M. A., Possible manifestation of the critical ionization velocity phenomenon in the solar corona (1992), ESA, Study of the Solar-Terrestrial System.
  16. Peratt, Anthony; Verschuur, Gerrit, The Critical Ionization Velocity Signature Manifested in Interstellar Neutral Hydrogen Emission Profile Structure, (1992), Bulletin of the American Astronomical Society, Vol. 34, p.766
  17. Lai, Shu T., A review of critical ionization velocity] (2001) Reviews of Geophysics, Volume 39, Issue 4, p. 471-506 PEERREVIEWED
  18. Konz, C.; Lesch, H.; Birk, G. T.; Wiechen, H., "The Critical Velocity Effect as a Cause for the Hα Emission from the Magellanic Stream" FULL TEXT (2001) in The Astrophysical Journal, Volume 548, Issue 1, pp. 249-252 PEERREVIEWED
  19. Gerrit L. Verschuur, "On The Critical Ionization Velocity Effect In Interstellar Space And Possible Detection Of Related Continuum Emission" (2007) IEEE Transactions on Plasma Science, Volume: 35, Issue: 4, Part 1 (Aug 2007) PEERREVIEWED (see also arXiv:0704.3021) FULL TEXT
  20. Rantsev-Kartinov, V. A., "Skeletal Structures in the Images of Cosmic Dust Clouds and Solar System Planets" (2007) IEEE Transactions on Plasma Science, Volume: 35, Issue: 4, Part 1 PEERREVIEWED
  21. Hannes Alfvén, Evolution of the Solar System (1980) "21. Mass Distribution And The Critical Velocity" FULL TEXT
  22. Hannes Alfvén, Evolution of the Solar System (1980) "21. Mass Distribution And The Critical Velocity" FULL TEXT
  23. Raadu, M. A., "The role of electrostatic instabilities in the critical ionization velocity mechanism"FULL TEXT, Astrophysics and Space Science, vol. 55, no. 1, May 1978, p. 125-138.PEERREVIEWED
  24. Carl-Gunne Falthammar, "Space Physics", 2nd edition, Stockholm August 2001, p.135 (Full text "Fälthammar compendium")

= Dodatkowa bibliografia

  • Brenning, N .