Критическая скорость ионизации - Critical ionization velocity

Критическая скорость ионизации эксперимент на борту космического корабля "Дискавери" (СТС-39 ), выпустив шлейф закиси азота. Полный текст

Критическая скорость ионизации (CIV), или критическая скорость (CV) - относительная скорость между нейтральными газ и плазма (ионизированный газ), при котором нейтральный газ начнет ионизировать. Если подается больше энергии, скорость атомов или молекул не будет превышать критическую скорость ионизации, пока газ не станет почти полностью ионизированным.

Явление было предсказано шведским инженером и ученым-плазменником, Ханнес Альфвен, в связи с его моделью происхождения Солнечная система (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] предложили низший гибрид плазма нестабильность участвует в передаче энергии от более крупных ионов к электронам, так что они обладают достаточной энергией для ионизации. Применение теории в астрономии с помощью ряда экспериментов дало неоднозначные результаты.^[6][7]

Экспериментальное исследование

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. газа, а не в увеличении относительной скорости; (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 явления «подтверждено достаточным количеством экспериментальных данных».^[8] В 1976 году Альфвен сообщил, что «о первом наблюдении эффекта критической скорости в космических условиях сообщили Манка и др. (1972).^[9] с Луны. Когда заброшенный лунный экскурсионный модуль [391] столкнулся с темной стороной Луны недалеко от терминатора, образовалось газовое облако, которое, когда оно расширилось так, что столкнулось с солнечным ветром, вызвало сверхтепловые электроны ".^[10]

В лаборатории критическая скорость ионизации была определена в течение некоторого времени, и ее можно увидеть в полутени, создаваемой фокус плотной плазмы устройство (или плазменная пушка). Его существование в космической плазме не подтверждено.

В 1986 году Герхард Херендель предположил, что ионизация с критической скоростью может стабилизировать поток плазмы в коме кометы.^[11] В 1992 г. Э. Голбрайх и М. Филиппов утверждали, что критическая скорость ионизации может играть роль в выбросы корональной массы и солнечные вспышки,^[12] а в 1992 г. Энтони Ператт и Геррит Вершуур предположил, что межзвездные выбросы нейтрального водорода несут в себе след ионизации с критической скоростью.^[13]

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

Также в 2001 г. К. Конц и др. «... обсуждают эффект критической скорости как возможное объяснение наблюдаемого излучения Hα [..] в гало Галактики вблизи краев облаков холодного газа Магелланова потока».^[14]

Явление CIV было также продемонстрировано в различных лабораторных экспериментах с низкотемпературной плазмой (LTP), где плазма и нейтральный газ находятся в относительном движении поперек магнитного поля, такого как магнетроны. Моделирование с участием плазмы, ускоренной в газе, аналогичное экспериментам с поперечным полем LTP, показывает вращающиеся неустойчивости, движущиеся со скоростью, близкой к критической скорости ионизации.^[15]

Развитие теории

Типичные критические скорости ионизации (По фильму Альфвена (1976))
Элемент	Потенциал ионизации Vион (V)	Средний атомная масса	Критическая скорость Vкрит (10^5 см / с)
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 когда облако начинает ионизироваться, - это когда относительная кинетическая энергия равна энергии ионизации, то есть:

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

куда эВ_ион - потенциал ионизации атомов или молекул в газовом облаке, м это масса, v - скорость. Это явление также называют Ионизация с критической скоростью,^[11] а также Эффект критической скорости,.^[16]

Альфвен рассмотрел облако нейтрального газа, входящего в Солнечную систему, и отметил, что нейтральный атом упадет к Солнцу под действием силы тяжести, и его кинетическая энергия увеличится. Если их движение является случайным, столкновения вызовут повышение температуры газа, так что на определенном расстоянии от Солнца газ будет ионизироваться. Альфвен пишет, что потенциал ионизации газа V_ион, возникает, когда:

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

то есть на расстоянии:

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

(где r_я расстояние до иона от Солнца с массой M, м ' - вес атома, V_ион в вольтах, k - гравитационная постоянная). Затем, когда газ становится ионизированным, вступают в действие электромагнитные силы, наиболее важной из которых является магнитная сила, которая обычно превышает гравитационную силу, которая вызывает магнитное отталкивание от Солнца. Другими словами, нейтральный газ, падающий из бесконечности к Солнцу, останавливается на расстоянии r_я где он будет накапливаться и, возможно, конденсироваться в планеты.

Альфвен обнаружил, что, взяв облако газа со средним напряжением ионизации 12 В и средним атомным весом 7, тогда расстояние r_я совпадает с орбитой Юпитера.

Критическая скорость ионизации водорода 50,9 х 10⁵ см / с (50,9 км / с), а гелий 34,3 х 10⁵см / с (34,3 км / с).^[17]

Фон

Альфвен обсуждает свои мысли о критической скорости в своих публикациях НАСА «Эволюция солнечной системы».^[17] После критики «неадекватности теории однородного диска» он пишет:

«… более привлекательно обратиться к альтернативе, согласно которой вторичные тела образуются из вещества, падающего с« бесконечности »(расстояние большое 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 этой стадии 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

1. Ханнес Альфвен «О космогонии Солнечной системы», в Annaler Стокгольмской обсерватории (1942) Часть I Часть II Часть III.
2. Ханнес Альфвен, О происхождении солнечной системы. Оксфорд: Clarendon Press, 1954.
3. Ханнес Альфвен, Столкновение неионизованного газа и замагниченной плазмы, Ред. Мод. Phys.., т. 32, стр. 710, 1960.
4. Ю.В. Фалесон, "Эксперименты с плазмой, движущейся в нейтральном газе", Phys. Жидкости, 4 123 (1961)
5. Бреннинг, Н., Акснас, I: "Взаимодействия при критических скоростях 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
7. Лай, Шу Т., Обзор критической скорости ионизации (2001) Обзоры геофизики, Том 39, Выпуск 4, стр. 471-506
8. Ларс Даниэльссон "Обзор критической скорости газоплазменного взаимодействия. I. Экспериментальные наблюдения ", Астрофизика и космическая наука (1973)
9. Манка, Р. Х. и др., «Доказательства ускорения лунных ионов», в Лунная наука III, К. Уоткинс, редактор (Институт лунных наук, Хьюстон, Техас): 504. (1972)
10. Ханнес Альфвен "Распределение масс и критическая скорость ", Эволюция Солнечной системы (1976)
11. Г. Херендель: "Плазменный поток и критическая скорость ионизации в кометных комах ", (1986) Geophys. Res. Латыш. 13 25 5
12. Голбрайх, 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, Сигнатура критической скорости ионизации, проявляющаяся в структуре профиля межзвездного нейтрального выброса водорода, (1992), Бюллетень Американского астрономического общества, Vol. 34, стр.766
14. Konz, C .; Lesch, H .; Birk, G.T .; Wiechen, H. "Эффект критической скорости как причина эмиссии Ha из магелланова потока "(2001) в Астрофизический журнал, Volume 548, Issue 1, pp. 249-252
15. Boeuf, J. P .; Чаудхури, Б. "Вращающаяся неустойчивость в низкотемпературной намагниченной плазме "(2013 г.) в Письма с физическими проверками, Том 111, 155005
16. Петельский, Э. Ф .; Fahr, H.J .; Ripken, H.W .; Brenning, N .; Акснас, И., Усиленное взаимодействие солнечного ветра и межзвездного нейтрального газа за счет эффекта критической скорости (1980)
17. Ханнес Альфвен, Эволюция Солнечной системы (1980) "21. Распределение масс и критическая скорость "

Прочие ссылки

• Бреннинг, Н.
  • Сравнение лабораторных и космических экспериментов по эффекту CIV Альфвена, в IEEE Transactions по науке о плазме (ISSN 0093-3813), т. 20, нет. 6, стр. 778-786. (1996)
  • Обзор феномена CIV, в Обзоры космической науки (ISSN 0038-6308), т. 59, февраль 1992 г., стр. 209-314. (1992)
  • Пределы напряженности магнитного поля для взаимодействия с критической скоростью ионизации, Физика жидкостей - ноябрь 1985 г. - том 28, выпуск 11, стр. 3424–3426