Krytyczna prędkość jonizacji - Critical ionization velocity

Krytyczna prędkość jonizacji (CIV) lub prędkość krytyczna (CV) to prędkość względna między gazem obojętnym a plazmą (gaz zjonizowany), przy której obojętny gaz zacznie jonizować . Jeśli zostanie dostarczona większa ilość energii, prędkość atomów lub cząsteczek nie przekroczy krytycznej prędkości jonizacji, dopóki gaz nie zostanie prawie całkowicie zjonizowany.

Zjawisko zostało przewidziane przez szwedzkiego inżyniera i naukowca zajmującego się plazmą, Hannesa Alfvéna , w związku z jego modelem pochodzenia Układu Słonecznego (1942). W tamtym czasie nie był dostępny żaden znany mechanizm wyjaśniający to zjawisko, ale teoria została następnie zademonstrowana w laboratorium. Późniejsze badania Brenning i Axnäs (1988) sugerują, że niższa niestabilność plazmy hybrydowej jest zaangażowana w przekazywanie energii z większych jonów do elektronów, tak aby miały one wystarczającą energię do jonizacji. Zastosowanie tej teorii do astronomii poprzez szereg eksperymentów przyniosło mieszane rezultaty.

Badanie eksperymentalne

Królewski Instytut Technologii w Sztokholmie przeprowadził pierwsze testy laboratoryjne i stwierdził, że (a) prędkość względną między plazmą a gazem obojętnym można zwiększyć do prędkości krytycznej, ale następnie dodatkowa energia włożona do układu została skierowana na jonizację neutralnego gazu, zamiast zwiększać prędkość względną, (b) prędkość krytyczna jest w przybliżeniu niezależna od ciśnienia i pola magnetycznego.

W 1973 roku Lars Danielsson opublikował przegląd krytycznej prędkości jonizacji i stwierdził, że istnienie tego zjawiska „zostało udowodnione wystarczającymi dowodami eksperymentalnymi”. W 1976 roku Alfvén doniósł, że „Pierwsza obserwacja efektu prędkości krytycznej w warunkach kosmicznych została opisana przez Mankę i innych (1972) z Księżyca. Kiedy opuszczony księżycowy [391] moduł wycieczkowy uderzył w ciemną stronę Księżyc, niedaleko terminatora, powstał obłok gazu, który po rozszerzeniu się, tak że został uderzony wiatrem słonecznym, dał początek supertermicznym elektronom. "

W laboratorium krytyczna prędkość jonizacji była rozpoznawana od jakiegoś czasu i jest widoczna w półcieniu wytwarzanym przez urządzenie do skupiania gęstej plazmy (lub pistolet plazmowy). Jego istnienie w kosmicznej plazmie nie zostało potwierdzone.

W 1986 roku Gerhard Haerendel zasugerował, że jonizacja z prędkością krytyczną może stabilizować przepływ plazmy w śpiączce kometarnej. W 1992 roku E.Golbraikh i M.Filippov argumentowali, że krytyczna prędkość jonizacji może odgrywać rolę w koronalnych wyrzutach masy i rozbłyskach słonecznych , aw 1992 roku Anthony Peratt i Gerrit Verschuur zasugerowali, że międzygwiazdowe obojętne emisje wodoru nosiły sygnaturę jonizacji z prędkością krytyczną, .

Przegląd fenomenu z 2001 r. Autorstwa Shu T. Lai donosi, że „… eksperymenty laboratoryjne i symulacje komputerowe wykazały, że CIV jest wykonalna i rozsądnie zrozumiana, chociaż wszystkie eksperymenty CIV w kosmosie dały negatywne wyniki, z może trzema wyjątkami”.

Również w 2001 roku C. Konz i in. "... omawiają efekt prędkości krytycznej jako możliwe wyjaśnienie obserwowanej emisji Hα [..] w halo galaktycznym w pobliżu krawędzi obłoków zimnego gazu Strumienia Magellana"

Zjawisko CIV zostało również wykazane w różnych eksperymentach laboratoryjnych z plazmą niskotemperaturową (LTP), w których plazma i gaz obojętny poruszają się względnie w polu magnetycznym, takim jak magnetrony. Symulacje z udziałem plazmy przyspieszanej w gazie podobnym do eksperymentów LTP w polu krzyżowym pokazują niestabilności rotacyjne poruszające się z prędkością bliską krytycznej prędkości jonizacji

Rozwój teorii

Typowe prędkości jonizacji krytycznej (według Alfvéna (1976))
Element	Potencjał jonizacyjny V ion (V)	Średnia masa atomowa	Prędkość krytyczna V kryt. (10 3  m / s)
Wodór	13.5	1.0	50.9
Hel	24.5	4.0	34.3
Neon	21.5	20.2	14.3
Azot	14.5	14.0	14.1
Węgiel	11.2	12,0	13.4
Tlen	13.5	16.0	12.7

Matematycznie, krytyczna prędkość jonizacji chmury obojętnej, czyli gdy chmura zaczyna ulegać jonizacji, występuje wtedy, gdy względna energia kinetyczna jest równa energii jonizacji, czyli:

${\ Displaystyle {\ Frac {1} {2}} mv ^ {2} = eV_ {ion}}$

gdzie _jon eV to potencjał jonizacyjny atomów lub cząsteczek w chmurze gazowej, m to masa, v to prędkość. Zjawisko to nazywa się również Critical jonizację prędkości , a także krytyczny wpływ prędkości ,.

Alfvén rozważał obłok neutralnego gazu wchodzący do Układu Słonecznego i zauważył, że neutralny atom spadnie w stronę Słońca pod wpływem grawitacji, a jego energia kinetyczna wzrośnie. Jeśli ich ruch jest przypadkowy, zderzenia spowodują wzrost temperatury gazu, tak że w pewnej odległości od Słońca gaz ulegnie jonizacji. Alfvén pisze, że potencjał jonizacji gazu, _jon V , występuje, gdy:

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

czyli w odległości:

${\ Displaystyle r_ {i} = E_ {g} = {\ Frac {kMm} {EV_ {jon}}} = 6,9 \ cdot 10 ^ {- 20} M {\ Frac {m '} {V_ {jon}} } = 13,5 \ cdot 10 ^ {13} {\ frac {m '} {V_ {ion}}} cm}$

(gdzie r _i to odległość jonów od Słońca o masie M , m ' to masa atomu, _jon V to w woltach, k to stała grawitacji). Następnie, gdy gaz ulega jonizacji, zaczynają działać siły elektromagnetyczne, z których najważniejsza jest siła magnetyczna, która jest zwykle większa niż siła grawitacji, która powoduje odpychanie magnetyczne od Słońca. Inaczej mówiąc, gaz obojętny spada z nieskończoności w kierunku słońca jest zatrzymywany w odległości r _ı gdzie będzie gromadzić i może skroploną w planety.

Alfvén okazało się, że poprzez chmurę gazu o średnim napięciu jonizacji 12 V i średnią masę atomową 7, a odległość R _i znajduje się w czasie z orbity Jupiter.

Krytyczna prędkość jonizacji wodoru wynosi 50,9 x 10 ⁵  cm / s (50,9 km / s), a helu wynosi 34,3 x 10  ⁵ cm / s (34,3 km / s).

tło

Alfvén omawia swoje przemyślenia dotyczące prędkości krytycznej w swoich publikacjach NASA Evolution of the Solar System. Po skrytykowaniu „nieadekwatności teorii jednorodnego dysku” pisze:

"... bardziej atrakcyjne jest zwrócenie się do alternatywy, że ciała wtórne pochodzą z materii spadającej z" nieskończoności "(odległość duża w porównaniu do. orbity satelity). Ta materia (po zatrzymaniu i uzyskaniu odpowiedniego pędu kątowego) gromadzi się w określonych odległościach od ciała centralnego. Proces taki może mieć miejsce, gdy atomy lub cząsteczki w swobodnym spadku osiągną energię kinetyczną równą ich energii jonizacji. Na tym etapie gaz może ulec jonizacji w procesie omówionym w pkt 21.4; zjonizowany gaz może następnie zostać zatrzymany przez pole magnetyczne korpusu centralnego i otrzymać moment pędu poprzez przeniesienie z korpusu centralnego, jak opisano w sekcji 16.3. ".

Uwagi

Inne referencje

• Brenning, N.
  • Porównanie eksperymentów laboratoryjnych i kosmicznych nad efektem Alfvena CIV , w IEEE Transactions on Plasma Science (ISSN 0093-3813), vol. 20, nie. 6, s. 778-786. (1996)
  • Przegląd zjawiska CIV , w Space Science Reviews (ISSN 0038-6308), vol. 59, luty 1992, s. 209-314. (1992)
  • Ograniczenia natężenia pola magnetycznego dla interakcji krytycznej szybkości jonizacji , Physics of Fluids - listopad 1985 - tom 28, wydanie 11, str. 3424–3426