Критическая скорость ионизации

Критическая скорость ионизации (CIV) или критическая скорость (CV) — это относительная скорость между нейтральным газом и плазмой (ионизированный газ), при которой нейтральный газ начнет ионизироваться . Если приложить больше энергии, скорость атомов или молекул не превысит критическую скорость ионизации до тех пор, пока газ не станет почти полностью ионизированным.

Явление было предсказано шведским инженером и ученым-плазмологом Ханнесом Альфвеном в связи с его моделью происхождения Солнечной системы (1942). ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} В то время не было известного механизма, объясняющего это явление, но впоследствии теория была продемонстрирована в лаборатории. ^{[ 4 ]} Последующие исследования Бреннинга и Акснеса (1988). ^{[ 5 ]} предположили, что гибридной плазмы более низкая нестабильность участвует в передаче энергии от более крупных ионов электронам, чтобы у них было достаточно энергии для ионизации. Применение теории к астрономии посредством ряда экспериментов дало неоднозначные результаты. ^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}

Экспериментальные исследования

Королевский технологический институт в Стокгольме провел первые лабораторные испытания и обнаружил, что (а) относительная скорость между плазмой и нейтральным газом может быть увеличена до критической скорости, но затем дополнительная энергия, вложенная в систему, пошла на ионизацию нейтрального газа. газ, а не в увеличивая относительную скорость, (б) критическая скорость примерно не зависит от давления и магнитного поля. ^{[ 4 ]}

В 1973 году Ларс Даниэльссон опубликовал обзор критической скорости ионизации и пришел к выводу, что существование этого явления «доказано достаточными экспериментальными данными». ^{[ 8 ]} В 1976 году Альфвен сообщил, что «первое наблюдение эффекта критической скорости в космических условиях было сообщено Манкой и др. (1972). ^{[ 9 ]} с Луны. Когда заброшенный лунный [391] экскурсионный модуль врезался в темную сторону Луны недалеко от терминатора, образовалось газовое облако, которое, расширившись настолько, что на него ударил солнечный ветер, вызвало сверхтепловую электроны». ^{[ 10 ]}

В лаборатории критическая скорость ионизации была обнаружена в течение некоторого времени и наблюдалась в полутени, создаваемой устройством фокусировки плотной плазмы (или плазменной пушкой). Его существование в космической плазме не подтверждено.

В 1986 году Герхард Херендель предположил, что ионизация с критической скоростью может стабилизировать поток плазмы в комете кометы. ^{[ 11 ]} В 1992 году Э. Гольбрайх и М. Филиппов утверждали, что критическая скорость ионизации может играть роль в корональных выбросах массы и солнечных вспышках . ^{[ 12 ]} а в 1992 году Энтони Ператт и Геррит Вершуур предположили, что межзвездные выбросы нейтрального водорода имеют признаки ионизации с критической скоростью. ^{[ 13 ]}

В обзоре этого явления, проведенном Шу Т. Лаем в 2001 году, сообщается, что «... лабораторные эксперименты и компьютерное моделирование показали, что CIV возможен и достаточно понятен, хотя все эксперименты CIV в космосе дали отрицательные результаты, возможно, за тремя исключениями». ^{[ 7 ]}

Также в 2001 году К. Конц и др. «... обсуждают эффект критической скорости как возможное объяснение наблюдаемого излучения Ha [..] в галактическом гало вблизи краев холодных газовых облаков Магелланова потока» ^{[ 14 ]}

Разработка теории

Типичные критические скорости ионизации (По Альфвену (1976))
Элемент	Ионизационный потенциал В _ион (В)	Средний атомная масса	Критическая скорость 5 _крит (10 ³ РС)
Водород	13.5	1.0	50.9
Гелий	24.5	4.0	34.3
Неон	21.5	20.2	14.3
Азот	14.5	14.0	14.1
Углерод	11.2	12.0	13.4
Кислород	13.5	16.0	12.7

Математически критическая скорость ионизации нейтрального облака, то есть момент, когда облако начинает ионизироваться, — это когда относительная кинетическая энергия равна энергии ионизации, то есть:

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

где eV _ion — потенциал ионизации атомов или молекул в газовом облаке, m — масса, v — скорость. Это явление также называют ионизацией критической скорости . ^{[ 11 ]} а также Эффект критической скорости . ^{[ 15 ]}

Альфвен рассмотрел облако нейтрального газа, входящее в Солнечную систему, и заметил, что нейтральный атом под действием силы тяжести упадет в сторону Солнца, и его кинетическая энергия увеличится. Если их движение хаотично, столкновения приведут к повышению температуры газа, так что на определенном расстоянии от Солнца газ ионизируется. Альфвен пишет, что потенциал ионизации газа V _ion возникает, когда:

eV_{ion}=E_{g}={\frac {kMm}{r}}

то есть на расстоянии:

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

(где r _i — расстояние иона от Солнца массой M , m’ — вес атома, V _иона — в вольтах, k — гравитационная постоянная). Затем, когда газ становится ионизированным, вступают в действие электромагнитные силы, из которых наиболее важной является магнитная сила, которая обычно превышает силу гравитации, вызывающую магнитное отталкивание от Солнца. Другими словами, нейтральный газ, падающий из бесконечности к Солнцу, останавливается на расстоянии r _i , где он будет накапливаться и, возможно, конденсироваться в планеты.

Альфвен обнаружил, что, взяв газовое облако со средним напряжением ионизации 12 В и средним атомным весом 7, расстояние r _i совпадает с орбитой Юпитера.

Критическая скорость ионизации водорода 50,9 х 10 ⁵ см/с (50,9 км/с), а гелий – 34,3 х 10 ⁵см/с (34,3 км/с). ^{[ 16 ]}

Фон

Альфвен обсуждает свои мысли о критической скорости в своих публикациях НАСА «Эволюция Солнечной системы». ^{[ 16 ]} После критики «неадекватности теории однородного диска» он пишет:

«...более привлекательно обратиться к альтернативе, согласно которой вторичные тела образуются из материи, падающей с «бесконечности» (расстояния, большого по сравнению с орбитой спутника). Эта материя (после остановки и получения достаточного углового момента) накапливается на определенных расстояниях от центрального тела. Такой процесс может происходить, когда атомы или молекулы в свободном падении достигают кинетической энергии, равной их энергии ионизации. На этом этапе газ может ионизироваться в результате процесса, описанного в разделе 21.4; ионизированный газ затем может быть остановлен магнитным полем центрального тела и получить угловой момент путем передачи от центрального тела, как описано в разделе 16.3.».

Примечания

^ Ханнес Альфвен «О космогонии Солнечной системы», в Анналере Стокгольмских обсерваторий (1942), Часть I, Часть II , Часть III.
^ Ханнес Альфвен, О происхождении Солнечной системы . Оксфорд: Кларендон Пресс, 1954.
^ Ханнес Альфвен, Столкновение неионизированного газа и намагниченной плазмы , Rev. Mod. Физ. ., т. 32, с. 710, 1960.
^ Jump up to: ^а ^б У. Ф. Фалесон, «Опыты с плазмой, движущейся через нейтральный газ», Физ. Жидкости, 4 123 (1961)
^ Бреннинг, Н., Акснас, И.: « Взаимодействие с критической скоростью ионизации: некоторые нерешенные проблемы », (1988) Astrophys. Космические науки . 144 15
^ Р. Торберт,: « Обзор ионосферных экспериментов CIV », XXVII совещание КОСПАР, (1988) Хельсинки, Финляндия, документ XIII.2. 1
^ Jump up to: ^а ^б Лай, Шу Т., Обзор критической скорости ионизации (2001) «Обзоры геофизики» , том 39, выпуск 4, с. 471-506
^ Ларс Даниэльссон, « Обзор критической скорости взаимодействия газа и плазмы. I: Экспериментальные наблюдения », Астрофизика и космическая наука (1973)
^ Манка, Р.Х. и др., «Доказательства ускорения лунных ионов», в Lunar Science III , К. Уоткинс, изд. (Институт лунных наук, Хьюстон, Техас): 504. (1972).
^ Ханнес Альфвен, « Распределение массы и критическая скорость », Эволюция Солнечной системы (1976)
^ Jump up to: ^а ^б Г. Херендель: « Плазменный поток и критическая скорость ионизации в кометных комах », (1986) Geophys. Рез. Летт . 13 25 5
^ Гольбрайх, Э.И.; Филиппов М.А., Возможное проявление явления критической скорости ионизации в солнечной короне (1992), ЕКА, Исследование Солнечно-Земной системы .
^ Ператт, Энтони; Вершуур, Геррит, Характеристика критической скорости ионизации, проявляющаяся в структуре профиля межзвездной эмиссии нейтрального водорода , (1992), Бюллетень Американского астрономического общества , Vol. 34, стр.766
^ Конц, К.; Леш, Х.; Бирк, GT; Вичен, Х., « Эффект критической скорости как причина излучения Hα из Магелланова потока » (2001) в The Astrophysical Journal , том 548, выпуск 1, стр. 249-252
^ Петельски, Э.Ф.; Фар, HJ; Рипкен, Х.В.; Бреннинг, Н.; Акснас И., Усиленное взаимодействие солнечного ветра и межзвездного нейтрального газа благодаря эффекту критической скорости (1980)
^ Jump up to: ^а ^б Ханнес Альфвен, Эволюция Солнечной системы (1980) « 21. Распределение массы и критическая скорость »

Другие ссылки

Бреннинг, Н.
- Сравнение лабораторных и космических экспериментов по эффекту CIV Альвена , в IEEE Transactions on Plasma Science (ISSN 0093-3813), vol. 20, нет. 6, с. 778-786. (1996)
- Обзор феномена CIV , в Space Science Reviews (ISSN 0038-6308), том. 59, февраль 1992 г., с. 209-314. (1992)
- Пределы на напряженность магнитного поля для взаимодействия с критической скоростью ионизации , Физика жидкостей - ноябрь 1985 г. - Том 28, выпуск 11, стр. 3424–3426

[1] Ханнес Альфвен «О космогонии Солнечной системы», в Анналере Стокгольмских обсерваторий (1942), Часть I, Часть II , Часть III.

[2] Ханнес Альфвен, О происхождении Солнечной системы . Оксфорд: Кларендон Пресс, 1954.

[3] Ханнес Альфвен, Столкновение неионизированного газа и намагниченной плазмы , Rev. Mod. Физ. ., т. 32, с. 710, 1960.

[U.V._Fahleson_1961-4] Jump up to: ^а ^б У. Ф. Фалесон, «Опыты с плазмой, движущейся через нейтральный газ», Физ. Жидкости, 4 123 (1961)

[5] Бреннинг, Н., Акснас, И.: « Взаимодействие с критической скоростью ионизации: некоторые нерешенные проблемы », (1988) Astrophys. Космические науки . 144 15

[6] Р. Торберт,: « Обзор ионосферных экспериментов CIV », XXVII совещание КОСПАР, (1988) Хельсинки, Финляндия, документ XIII.2. 1

[Lai,_Shu_T._2001_p._471-506-7] Jump up to: ^а ^б Лай, Шу Т., Обзор критической скорости ионизации (2001) «Обзоры геофизики» , том 39, выпуск 4, с. 471-506

[8] Ларс Даниэльссон, « Обзор критической скорости взаимодействия газа и плазмы. I: Экспериментальные наблюдения », Астрофизика и космическая наука (1973)

[9] Манка, Р.Х. и др., «Доказательства ускорения лунных ионов», в Lunar Science III , К. Уоткинс, изд. (Институт лунных наук, Хьюстон, Техас): 504. (1972).

[10] Ханнес Альфвен, « Распределение массы и критическая скорость », Эволюция Солнечной системы (1976)

[adsabs.harvard.edu-11] Jump up to: ^а ^б Г. Херендель: « Плазменный поток и критическая скорость ионизации в кометных комах », (1986) Geophys. Рез. Летт . 13 25 5

[12] Гольбрайх, Э.И.; Филиппов М.А., Возможное проявление явления критической скорости ионизации в солнечной короне (1992), ЕКА, Исследование Солнечно-Земной системы .

[13] Ператт, Энтони; Вершуур, Геррит, Характеристика критической скорости ионизации, проявляющаяся в структуре профиля межзвездной эмиссии нейтрального водорода , (1992), Бюллетень Американского астрономического общества , Vol. 34, стр.766

[14] Конц, К.; Леш, Х.; Бирк, GT; Вичен, Х., « Эффект критической скорости как причина излучения Hα из Магелланова потока » (2001) в The Astrophysical Journal , том 548, выпуск 1, стр. 249-252

[15] Петельски, Э.Ф.; Фар, HJ; Рипкен, Х.В.; Бреннинг, Н.; Акснас И., Усиленное взаимодействие солнечного ветра и межзвездного нейтрального газа благодаря эффекту критической скорости (1980)

[history.nasa.gov-16] Jump up to: ^а ^б Ханнес Альфвен, Эволюция Солнечной системы (1980) « 21. Распределение массы и критическая скорость »

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]