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
[ редактировать ]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
[ редактировать ]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:
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:
то есть на расстоянии:
(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 5 см/с (34,3 км/с). [ 16 ]
Фон
[ редактировать ]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
[ редактировать ]- ^ 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
[ редактировать ]- 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