Z Plazmawiki
Skocz do: nawigacja, szukaj
Heliosferyczny arkusz prądowy wynika z wpływu obrotowego pola magnetycznego Słońca na plazmę ośrodka międzyplanetarnego.[1]. Szeroki, spiralny kształt porównywany jest do spódnicy baletowej i niesie niewielki, bo wynoszący 10-10 A/m2, prąd.

Plazma astrofizyczna jest plazmą (zjonizowanym gazem) znajdywanym w astronomii, a którego własności studiowane są przez astrofizyków. Uważa się, że zdecydowana większość Wszechświata złożona jest z plazmy, stanu materii, w którym atomy i molekuły są tak gorące, że rozpadają się na ujemne elektrony i dodatnie jony. Chociaż podlega grawitacji, to bardzo silnie oddziałuje z polami elektromagnetycznymi.

Wszystkie znane rodzaje plazmy astrofizycznej są namagnesowane. Zawierają również równą ilość jonów i elektronów, przez co są elektrycznie obojętne. A ponieważ plazma jest dobrym przewodnikiem, każdy rozdział ładunków jest natychmiast neutralizowany. Tym niemniej, ponieważ zjawiska plazmowe są bardzo złożone, mogą wystąpić niezbalansowania ładunku, co skutkuje charakterystyką znaną jako pół-obojętność. Przykładem jest wpływ pola magnetycznego Słońca na jony i elektrony ośrodka miedzyplanetarnego (lub wiatru słonecznego), czego skutkiem jest heliosferyczny arkusz prądowy, duża struktura Układu Słonecznego.

Charakterystyka

Pionierzy plazmowej kosmologii, Hannes Alfvén i Carl-Gunne Fälthammar, podzielili kosmiczną plazmę na trzy różne kategorie (odnotujmy, że odmienne charakterystyki plazmy międzyplanetarnej i międzygwiezdnej oznaczają charakteryzację przez gęstość ośrodka):

Klasyfikacja magnetycznej plazmy kosmicznej

CharakterystykaKategorie gęstości plazmy kosmicznej
(Zauważmy, że gęstość nie odnosi się tylko do zagęszczenia cząstek)
Idealne porównanie
Wysoka gęstośćŚrednia gęstośćNiska gęstość
Kryteriumλ << ρλ << ρ << lclc << λlc << λD
PrzykładyWnętrze gwiazdy
Słoneczna fotosfera
Słoneczna chromosfera/korona
Przestrzeń międzygwiezdna/międzygalaktyczna
Jonosfera powyżej 70 km
Magnetosfera podczas
zaburzeń magnetycznych.
Przestrzeń międzyplanetarna
Pojedyncze ładunki
w wysokiej próżni
DyfuzjaIzotropowaAnizotropowaAnizotropowa i małaBrak dyfuzji
PrzewodnośćctivityIzotropowaAnizotropowaNiezdefiniowanaNiezdefiniowana
Pole elektryczne równoległe do B
w całkowicie zjonizowanym gazie
MałeMałeDowolnedowolne
Ruch czastek w płaszczyźnie
prostopadłej do B
Niemal prosta ścieżka
pomiędzy zderzeniami
Koło
pomiędzy zderzeniami
KołoKoło
Śieżka o centrum prowadzenia
równoleglym do B
Prosta ścieżka
pomiędzy kolizjami
Prosta ścieżka
pomiędzy kolizjami
Oscylacje
(pomiędzy punktami odbicia)
Oscyacje
(pomiędzy punktami odbicia)
Długość Debye'a λDλD << lcλD << lcλD << lcλD >> lc
Stosowność
magnetohydrodynamiki
TakPrzybliżonaNieNie

λ=Współczynnik drogi swobodnej. ρ= promień Lamora elektronu. λD=długość Debye'a. lc=Długość charakterystyczna
Zaadaptowano z Kosmiczna Elektrodynamika (2nd Ed. 1952) Alfvén i Fälthammar.[2]

Alfvén i Fälthammar odnotowali, że:

Tabela pokazuje kilka ciekawych właściwości. Pierwszą jest, że większosć gęstości rozważanych jest jako bardzo wysokie. Poza bliskim sąsiedztwem Ziemi, nie ma analogii do zjawisk wysokiej próżni. Laboratoryjna analogia przestrzeni kosmicznej nie jest próżnią w komorze, lecz silnie zjonizowanym gazem o wysokiej gęstości.
Wciąż bardziej uderzające, niż wysokie gęstości, są silne pola magnetyczne w kosmosie. W rzeczywistości są one tak silne, że obecnie nasze laoratoria nie są w stanie wytworzyć odpowiednio sinych, by przeprowadzać eksperymenty.
Potężne pola magnetyczne mają dwie główne konsekwencje. Pierwszą jest, że ruch naładowanych cząstek jest zwykle innego rodzaju, niż ten znany z laboratorium. Promień krzywizny jest bardzo mały, a cząstki [poruszają się] bardziej w kierunku pola, lub 'dryfują' poprzecznie do niego.
Inną konsekwencją jest, że każdy ruch prostopadły do pola magnetycznego z łatwością wywołuje silne pole elektryczne. Na przykład, w zredukowanym polu magnetycznym o natężeniu 106 gaussów, predkość 3,15 cm/s wywołuje pole elektryczne E = 10 e.s.u. - 3000 V/cm. W polu mającym 1110 gaussów ta sama prędkość wywoła 30,16 V/cm. Zatem równeiż pola elektryczne w kosmosie, po redukcji do skali laboratorium, są często bardzo silne.
W końcu, ważne są transformacje czasoprzestrzenne w tabeli. Rozbłyski słoneczne, łuki koronalne oraz początkowe fazy burz magnetycznych powinny być rozpatrywane jako zjawiska bardzo krótkie. W rzeczy samej, ich trwanie po przeskalowaniu jest rzędu zapłonu wyładowania elektrycznego. Oznacza to, że chwilowe zjawiska są dla fizyki kosmicznej bardzo ważne.[2]

Plazma astrofizyczna może być studiowana na wiele sposobów, jako, że emituje promieniowanie elektromagnetyczne w szerokim spektrum. Na przykład, plazma kosmiczna w gwiazdach emituje światło, które widzimy na nocnym niebie. A ponieważ plazma astrofizyczna jest z reguy gorąca (czyli w peni zjonizowana), jej elektrony w sposób ciągły emitują promienie rentgena w procesie, zwanym bremsstrahlung, gdy zderzają się z jądrami atomowymi. Promieniowanie to można wykryć przy pomocy detektorów, umieszczone w kosmosie lub górnej atmosferze (jak np Obserwatorium Rentgenowskie Chandra). Plazma kosmiczna emituje również fale radiowe i gamma.

Anomalne charakterystyki

W podsumowaniu na temat rozrzedzonej plazmy, Fälthammar odnotował co następuje:[3]

Plazma o niskiej gęstości wypełnia resztę Wszechświata, np. wypełnia planetarne magnetosfery, koronę słoneczną oraz przestrzeń międzyplanetarną, międzygwiezdną i międzygalaktyczną. Reprezentuje bardzo złożony stan materii, który może tworzyć fale i niestabilności. Jej własności elektromagnetyczne są takie, że nawet nie istnieją lokalne, makroskopowe relacje pomiędzy polem elektrycznym a gęstością prądu. Na przykład pewien skończony prąd elektryczny może współistnieć z zerowym polem elektrycznym, oraz vice versa. Oznacza to, że koncepcja przewodności jako własności lokalnej staje się pomijalna i należy brać pod uwagę nawet dalekie odcinki obwodu elektrycznego.
Prostym przykładem jest omawiany w [7, sekcja 5.1.31;], a mianowicie, elektrony i jony uwięzione między dwoma lustrami magnetycznymi i posiadające odmienny rozkład kątowy, a tym samym inne punkty odbicia. Nawet, jeśli całkowity ładunek wynosi zero, jony i elektrony są lokalnie różnie wymieszane, przez co utrzymują pole elektryczne nie posiadając prądu elektrycznego. Przykład ten jest omówiony szczegółowo w [42][4]. Przypadki obserwowanych w eksperymentach pół elektrycznych równoległych do pola magnetycznego w lustrze magnetycznym raportowano w [38][5].
(Zobacz: przypisy do cytowanych odnośników: 40 i 38).

Historia

W 1913, norweski odkrywca i fizyk, Kristian Birkeland, być może stał się pierwszym, który przewidział, że kosmos nie jest jedynie plazmą, lecz również zawiera ciemną materię. Napisał: Wydaje się naturalną konsekwencją naszego punktu widzenia, że cała przestrzeń wypełniona jest elektronami i jonami elektrycznymi różnych rodzajów. Zakładamy, że każdy układ gwiezdny w trakcie swojej ewolucji wyrzuca w przestrzeń elektryczne korpuskuły. Wydaje się nie być od rzeczy myśleć, że ogromna część masy materialnej we Wszechświecie znajduje się nie w ukladach gwiazdowych czy mgławicach, ale w pustej przestrzeni.[6]

W 1937, gdy przestrzeń międzygwiezdna była uważana za próżnię, fizyk plazmowy, Hannes Alfvén, dowodził, że jeżeli plazma wypełnia Wszechświat, może ona nieść prąd elektryczny wystarczający do wygenerowania galaktycznego pola magnetycznego. Podczas lat 40 i 50, Alfvén rozwinął magnetohydrodynamikę (MHD), która modeluje plazmę jak fale w płynie, za co Alfvén otrzymał w 1970 Nobla z fizyki. MHD jest standardowym narzędziem astronomicznym.

Niemniej jednak, Hannes Alfvén wraz ze współautorem Carlem Fälthammarem, napisali w swojej książce Kosmiczna Elektrodynamika(1952, 2-ga edycja):

Należy odnotować, że podstawowe równania magnetohydrodynamiki bazują na założeniu, że ośrodek przewodzący można traktować jak płyn. Jest to istotne ograniczenie, bo jeżeli ośrodkiem jest plazma, potrzebne jest czasami użycie opisu mikroskopowego, w którym bierze się pod uwagę ruch cząstek składowych. Przykładami zjawisk plazmowych, niepasujących do opisu magnetohydrodynamicznego są, dyfuzja ambiporarna, uciekczka elektronów oraz generowanie mikrofal.

W 1974, teoretyczna praca Alfvéna na temat prądów elektrycznych równoległych do pola magnetycznego w zorzy polarnej, oparta na wcześniej pracy Kristiana Birkelanda, została potwierdzona przez satelitę, a prądy Birkelanda oficjalnie odkryte. W późniejszych latach Alfvén był znany z podkreślania potrzeby teoretycznego traktowania plazmy astrofizycznej we właściwy sposób.[7] Napisał:

Podstawową różnicę pomiędzy pierwszym a drugim podejściem ilustrują określenia zjonizowany gaz i plazma, które, choć są synonimami, są zwiastują odmienne ogólne pojęcia. Pierwsze wyrażenie przywodzi na myśl ośrodek przede wszystkim podobny do gazu, szczególnie powietrza, z którym jesteśmy obeznani. W przeciwieństwie do tego, plazma, szczególnie w pełni zjonizowana i namagnesowana, jest ośrodkiem o zupełnie innych parametrach [niż gaz]: typowo jest silnie niejednorodna i zawiera sieć włókien, wytwarzanych przez prądy liniowe, oraz powierzchnie nieciągłości. Występują one nieraz na skutek arkuszy prądowych oraz, czasami, elektrostatycznych warstw podwójnych.

Pseudo-plazma kontra rzeczywista plazma

Pierwsze podejście (pseudo-plazma) Drugie podejście (prawdziwa plazma)
Modele jednorodne Plazma kosmiczna często posiada skomplikowaną, niejednorodną strukturę
Przewodnoctwo σE = ∞ σE zależy od prądu i często nagle zanika
Pole elektryczne E|| wzdłuż pola magnetycznego = 0 E|| często <> ∞
Pole magnetyczne jest wmrożone i przemieszcza się razem z plazmą Obraz wmrożenia jest często zupełnie mylny
Elektrostatyczne warstwy podwójne są zaniedbywalne Elektrostatyczne warstwy podwójne mają często decydujące znaczenie w rozrzedzonej plazmie
niestabilności są zaniedbywalne Wiele konfiguracji plazmy jest nierealistycznych, ponieważ są niestabilne
Warunki elektromagnetyczne są ilustrowane przez obraz linii pola magnetycznego Jest równie ważne ustalenie linii prądów i omówienie obwodu elektrycznego
Struktury włókniste oraz arkusze prądowe są zaniedbywalne lub niewłaściwie traktowane Prądy tworzą włókna lub przepływy w cienkich arkuszach
Maxwellowski rozkład prędkości Nie-maxwelowskie efekty są często decydujące. Plazma kosmiczna ma tendencję do produkowania wysoko energetycznych cząstek.
Teorie są matematycznie eleganckie i dobrze rozwinięte Teorie nie są dobrze rozwinięte i są częściowo fenomenologiczne

Źródło: Evolution of the Solar System, tabela 15.3.1.[8]

Przypisy

  1. Artist's Conception of the Heliospheric Current Sheet
  2. 2,0 2,1 Hannes Alfvén and Carl-Gunne Fälthammar, Cosmical Electrodynamics (2nd Ed. 1952)
  3. Carl-Gunne Fälthammar, "Electrodynamics of cosmical plasmas-some basic aspects of cosmological importance", IEEE Transactions on Plasma Science, Feb 1990, Vol. 18, Issue: 1, p. 11-17 PEERREVIEWED
  4. E. C. Whipple, "The signature of parallel electric fields in a collisionless plasma," J. Geophys. Res., vol. 82. p. 1525, 1976 (cf. also W. Lennartsson, J. Geophys. Res., vol. 83. p. 2228. 1976, and E. G. Whipple, J. Geophys. Res., vol. 83, p. 2229, 1976). PEERREVIEWED
  5. Y. Serizawa and T. Sato, "Generation of large-scale potential difference by currentless plasma jets along the magnetic field," Phys. Rev. Lett., vol. 11, p. 595, 1984. PEERREVIEWED
  6. "Polar Magnetic Phenomena and Terrella Experiments", in The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902-1903 (publ. 1913, p.720)
  7. Alfvén, Hannes, "Model of the plasma universe", IEEE Transactions on Plasma Science (ISSN 0093-3813), vol. PS-14, Dec. 1986, p. 629-638 PEERREVIEWED
  8. Alfvén, Hannes, Evolution of the Solar System Chapter 15

Linki zewnętrzne