Kritisk ioniseringshastighet - Critical ionization velocity

Kritisk ioniseringshastighetseksperiment ombord på romfergen Discovery ( STS-39 ), frigjør en skyv av lystgass. Full tekst

Kritisk ioniseringshastighet (CIV), eller kritisk hastighet (CV), er den relative hastigheten mellom en nøytral gass og plasma (en ionisert gass), hvor den nøytrale gassen begynner å ionisere . Hvis mer energi tilføres, vil hastigheten til atomene eller molekylene ikke overstige den kritiske ioniseringshastigheten før gassen blir nesten fullstendig ionisert.

Fenomenet ble spådd av svensk ingeniør og plasmaforsker, Hannes Alfvén , i forbindelse med sin modell om solsystemets opprinnelse (1942). På den tiden var ingen kjent mekanisme tilgjengelig for å forklare fenomenet, men teorien ble deretter demonstrert i laboratoriet. Senere forskning fra Brenning og Axnäs (1988) har antydet at en lavere hybrid plasma- ustabilitet er involvert i å overføre energi fra de større ionene til elektroner slik at de har tilstrekkelig energi til å ionisere. Bruk av teorien til astronomi gjennom en rekke eksperimenter har gitt blandede resultater.

Eksperimentell forskning

Royal Institute of Technology i Stockholm utførte de første laboratorietestene, og fant at (a) den relative hastigheten mellom plasma og nøytral gass kunne økes til den kritiske hastigheten, men deretter gikk ekstra energi satt inn i systemet til å ionisere det nøytrale gass, snarere enn å øke den relative hastigheten, (b) den kritiske hastigheten er omtrent uavhengig av trykk og magnetfelt.

I 1973 publiserte Lars Danielsson en gjennomgang av kritisk ioniseringshastighet, og konkluderte med at eksistensen av fenomenet "er bevist av tilstrekkelig eksperimentell bevis". I 1976 rapporterte Alfvén at "Den første observasjonen av den kritiske hastighetseffekten under kosmiske forhold ble rapportert av Manka et al. (1972) fra Månen. Da en forlatt måneutflukt [391] ble laget for å påvirke den mørke siden av Månen ikke veldig langt fra terminatoren, ble det produsert en gasssky som når den hadde utvidet seg slik at den ble truffet av solvinden ga opphav til supertermiske elektroner. "

I laboratoriet har kritisk ioniseringshastighet blitt anerkjent i noen tid, og ses i penumbra produsert av en tett plasmafokusanordning (eller plasmapistol). Dens eksistens i kosmiske plasmaer er ikke bekreftet.

I 1986 foreslo Gerhard Haerendel at ionisering av kritisk hastighet kan stabilisere plasmastrømmen i kometar koma. I 1992, E. Golbraikh og M. Filippov hevdet at kritisk ionisering hastighet kan spille en rolle i koronamasseutbrudd og sol utbrudd , og i 1992, Anthony Peratt og Gerrit Verschuur antydet at interstellare nøytrale hydrogen utslipp boring signaturen av kritisk hastighet ionisering, .

En gjennomgang fra 2001 av Shu T. Lai om fenomenet rapporterer at ".. laboratorieeksperimenter og datasimuleringer har alle vist CIV som mulig og rimelig forstått, selv om alle CIV-eksperimenter i verdensrommet har gitt negative resultater med kanskje tre unntak".

Også i 2001, C. Konz, et al., ".. diskutere den kritiske hastighetseffekten som en mulig forklaring på den observerte Hα-utslipp [..] i den galaktiske haloen nær kantene av kalde gassskyer i Magellanic Stream"

CIV-fenomenet er også demonstrert i forskjellige lavtemperaturplasma (LTP) laboratorieeksperimenter der et plasma og en nøytral gass er i relativ bevegelse over et magnetfelt som magnetroner. Simuleringer som involverer plasma akselerert i en gass som ligner på kryssfelt-LTP-eksperimenter viser roterende ustabilitet som beveger seg med en hastighet nær den kritiske ioniseringshastigheten

Teoriutvikling

Typiske kritiske ioniseringshastigheter
(etter Alfvén (1976))
Element Ioniseringspotensial
V ion (V) 		Gjennomsnittlig
atommasse 		Critical Velocity
V crit (10 3  m / s)
Hydrogen 13.5 1.0 50.9
Helium 24.5 4.0 34.3
Neon 21.5 20.2 14.3
Nitrogen 14.5 14.0 14.1
Karbon 11.2 12.0 13.4
Oksygen 13.5 16.0 12.7

Matematisk er den kritiske ioniseringshastigheten til en nøytral sky, det vil si når skyen begynner å bli ionisert, når den relative kinetiske energien er lik ioniseringsenergien, det vil si:

hvor eV- ion er ioniseringspotensialet til atomene eller molekylene i gassskyen, m er massen, v er hastigheten. Fenomenet kalles også kritisk hastighet ionisering , og også kritisk hastighet effekt ,.

Alfvén betraktet en nøytral gasssky som kom inn i solsystemet, og bemerket at et nøytralt atom vil falle mot solen under påvirkning av tyngdekraften, og dets kinetiske energi vil øke. Hvis bevegelsen deres er tilfeldig, vil kollisjoner føre til at gass temperaturen stiger, slik at gassen vil ionisere i en viss avstand fra solen. Alfvén skriver at ioniseringspotensialet til gassen, V ion , oppstår når:

det vil si på en avstand av:

(hvor r i er ioneavstanden fra solen med masse M , m ' er atomvekten, V ion er i volt, k er gravitasjonskonstanten). Så når gassen blir ionisert, trer i kraft elektromagnetiske krefter, hvorav den viktigste er magnetkraften som vanligvis er større enn gravitasjonskraften som gir opphav til magnetisk frastøt fra solen. Med andre ord, er en nøytral gass faller fra uendelig mot solen stoppet ved en avstand r jeg hvor det akkumuleres, og kanskje kondenserer til planeter.

Alfvén fant at ved å ta en gasssky med en gjennomsnittlig ioniseringsspenning på 12 V og en gjennomsnittlig atomvekt på 7, så ble avstanden r i funnet å falle sammen med Jupiters bane.

Den kritiske hastighet ionisering av hydrogen 50,9 x 10 5  cm / s (50.9 km / s), og helium er 34,3 x 10  5 cm / s (34,3 km / s).

Bakgrunn

Alfvén diskuterer tankene bak kritisk hastighet, i sine NASA-publikasjoner Evolution of the Solar System. Etter å ha kritisert "Inadequacy of the Homogeneous Disc Theory", skriver han:

".. det er mer attraktivt å vende seg til alternativet at sekundærlegemene stammer fra materie som faller inn fra" uendelig "(en stor avstand sammenlignet med. satellittbanen). Denne saken (etter å ha blitt stoppet og gitt tilstrekkelig vinkelmoment) akkumuleres på spesifikke avstander fra det sentrale legemet. En slik prosess kan finne sted når atomer eller molekyler i fritt fall når en kinetisk energi lik deres ioniseringsenergi. På dette stadiet kan gassen bli ionisert ved prosessen diskutert i kapittel 21.4; ionisert gass kan deretter stoppes av magnetfeltet i det sentrale legemet og motta vinkelmoment ved overføring fra det sentrale legemet som beskrevet i kapittel 16.3. ".

Merknader

Andre referanser