Niezbędny przewodnik po Elektrycznym Wszechświecie – rozdział 3 – plazma

Wprowadzenie

Znanym jest, że kosmos wypełniony jest plazmą. W rzeczy samej, plazma jest najbardziej rozpowszechnionym stanem materii we Wszechświecie. Znajduje się w szerokiej gamie miejsc, od ognia, neonów i piorunów na Ziemi po przestrzeń galaktyczną i międzygalaktyczną. Jedynym powodem, dla którego nie jesteśmy do niej bardziej przyzwyczajeni, jest to, że żyjemy w cienkiej biosferze zbudowanej głównie z ciał stałych, płynów i gazów, do których nasze zmysły są dostosowane. Na przykład, nie postrzegamy ognia jako plazmy, widzimy jasne płomienie i czujemy ciepło. Tylko naukowe eksperymenty pozwalają odkryć obecność plazmy w płomieniach.

Podczas gdy studia nad plazma skupiają się głównie na pojedynczych zagadnieniach, takich jak fuzja jądrowa, zrozumienie tego, jak działa Wszechświat, wymaga studentów o szerszych zainteresowaniach. Źródło obrazka: DOE-Princeton Plasma Physics Lab; Peter Ginter

„Plazma jest zbiorem cząstek naładowanych, które zbiorowo reagują na siły elektromagnetyczne” (z pierwszego paragrafu w Fizyce Plazmowego Wszechświata Anthony Peratt’a, Springer-Verlag, 1992). Region plazmy może również zawierać pewna ilość obojętnych cząstek lub molekuł, oraz zarówno naładowanych jak i neutralnych, jak pył, gruz i większe ciała, od małych ciał skalnych, przez planety, po gwiazdy.

Charakterystyką plazmy jest obecność wolnych ładunków – jonów, elektronów i naładowanych cząstek pyłu. Ich silne oddziaływanie z polami elektromagnetycznymi powoduje, że zachowanie plazmy jest zupełnie różne od niezjonizowanego gazu. Oczywiscie wszystkie czasteczki – naładowane i obojętne – reagują z polem grawitacyjnym, proporcjonalnie do jego lokalnego natężenia. Ponieważ większość Wszechświata zbudowana jest z plazmy, miejsca, gdzie grawitacja dominuje nad elektromagnetyzmem, są względnie rzadkie.

Z powodu swoich szczególnych właściwości, plazma jest z reguły postrzegana jako faza materii inny od ciał stałych, płynów czy gazów. Jest często nazywana czwartym stanem materii. Skoro stan ten jest najbardziej rozpowszechnionym we Wszechświecie, powinien właściwie nazywać się pierwszym stanem materii.

Schemat poniżej jest często używany do przedstawienia, jak stany materii zmieniają się z termicznego punktu widzenia. Im większa temperatura, tym wyżej na drabinie energii dochodzi do przemiany. Aczkolwiek, do zjonizowania materii potrzeba na prawdę dużo energii cieplnej. Istnieją jednak inne środki, i zjonizowaną materię z nierównowagą ładunków otrzymać można przy praktycznie każdej temperaturze.

Ciało stałe, jak metalowy kabel elektryczny, gdy tylko jest podłączony do obwodu elektrycznego ze źródłem prądu o wystarczająco dużym woltażu (bateria, elektrownia), oddzieli swoje elektrony od jąder atomowych, aby mogły swobodnie podróżować w kablu jako prąd cząstek naładowanych.

zlewka z wodą z dodatkiem metalicznej soli, np. chlorkiem sodu, jest łatwo jonizowalna. Jeśli przyłoży się napięcie elektryczne przy pomocy dodatniego i ujemnego kabla, tlen i wodór zostaną przyciągnięte do przeciwnie naładowanych końcówek i uwolnione w postaci gazu o pokojowej temperaturze. Takie stabilne, obojętne stany są częścią elektrycznego Wszechświata, jednak niniejszy przewodnik skupi się bardziej na stanie plazmy i prądów elektrycznych w dużej skali w kosmosie.

Obłoki molekularne bardzo schłodzonego gazu i pyłu mogą być zjonizowane przez niedalekie gwiazdy lub promieniowanie kosmiczne, a powstałe w wyniku tego jony i elektrony organizują się w formy plazmowe, zdolne do zachowywania ładunku i warstw podwójnych, które separują ładunki i tworzą pola elektryczne o bardzo dużych natężeniach. Taka plazma potrafi przyspieszać ładunki i przewodzić je lepiej od metalu. Prądy plazmowe przyjmują postać powłok lub włókien, dwu lub więcej morfologicznych, przez które można zidentyfikować ich obecność.

Cztery stany, lub fazy, materii, oraz przejścia pomiędzy nimi. Zauważ podobieństwo do greckich „głównych elementów” – Ziemi, wody, powietrza i ognia. Jasnym jest, że plazma zajmuje pozycję najbardziej energetyczną. Pytanie otwarte: skąd pochodzi ta energia? Źródło: Wikimedia Commons.

Proporcja jonów mierzona jest przez stopień jonizacji. Procent jonizacji plazmy może wahać się od mniej niż 0,01% do 100%, ale plazma będzie się zawsze zachowywać charakterystycznie dla niej, ze względu na obecność naładowanych cząstek i separację ładunku.

Plazma określana jest czasem mianem zaledwie „zjonizowanego gazu”. Choć technicznie jest to poprawne, terminologia ta jest niekompletna i przestarzała. Używa się go w celu zamaskowania faktu, że plazma rzadko kiedy zachowuje się jak gaz. W kosmosie nie podlega ona zwykłej dyfuzji, ale organizuje się w złożone formy i nie oddziałuje w widoczny sposób z grawitacją, dopóki obecne są choć słabe pola elektromagnetyczne. Plazma nie jest materią w stanie gazowym, to materia w stanie plazmy.

Wyrzucanie przez Słońce ogromnych mas „zjonizowanego gazu” (plazmy) oraz koronalnych wyrzutów masy przeciwko jego własnej grawitacji są tego dobrym przykładem. „Wiatr słoneczny” jest plazmą zawierającą poruszające się ładunki, zwane również prądem elektrycznym. Nie jest to płyn, ani „wiatr” ani też „gorący gaz”, żeby wyrazić się jasno. Używanie temrinów z dynamiki płynów zaciemnia rzeczywistość prądów elektrycznych i zjawisk plazmowych, silniejszych od grawitacji, naokoło nas w przestrzeni kosmicznej, tak daleko, jak tylko możemy zaobserwować.

Koronalny wyrzut masy wyładowuje miliony ton plazmy w w przestrzeń międzyplanetarną. Słońce jest wielkości białego koła na dysku zakrywającym. Courtesy, SOHO public imagery

Jonizacja

Wiadomo, że przestrzeń wypełniona jest polami, rozmaitymi cząstkami, z których wiele jest naładowanych, oraz szeroką gamą rozmiarów cząstek, od atomów do planet, gwiazd i galaktyk. Cząstki obojętne – czyli atomy i molekuły o takiej samej liczbie elektronów i protonów (zaniedbujemy antymaterię) – mogą być uformowane z cząstek o przeciwnych ładunkach. Odwrotnie, naładowane cząstki i molekuły mogą powstawać z tych obojętnych, w procesie jonizacji.

Jeżeli elektron – ładunek ujemny – zostanie oddzielony od atomu, wtedy pozostały atom pozostanie z ładunkiem dodatnim. Oddzielony elektron i atom macierzysty pozostaną wolne od siebie nawzajem. Proces ten nazywa się jonizacją. Dodatnio naładowana reszta atomowa nazywa się jonem. Najprostszy pierwiastek, wodór, składa się z jednego protonu (jądra) i jednego elektronu. Jeśli wodór jest zjonizowany, rezultatem jest jeden wolny elektron i proton. Pojedynczy proton jest najprostszym jonem.

Jeżeli atom cięższy od wodoru jest zjonizowany, to znaczy, że stracił jeden lub więcej elektronów. Ładunek dodatni jonu będzie równy ładunkom utraconych elektronów. Jonizacja może również następować w molekułach. Może powstać przy dodaniu elektronu do neutralnego atomu bądź molekuły, przez co powstanie ujemny jon. Cząsteczki pyłu w kosmosie często są zjonizowane, a studiowanie fizyki pyłowej plazmy zajmuje się wiele uniwersytetów. Do podzielenia atomów na jony i elektrony potrzebna jest energia – patrz wykres poniżej.

Energia pierwszej jonizacji w stosunku do liczby atomowej. Źródło: Wikimedia Commons, dodana temperatura po prawej stronie

Zauważmy, że jest tu powtarzający się wzór. Metale alkaliczne mają względnie niską energię/temperaturę jonizacji. W miarę przesuwania się w prawo, ku większej liczbie atomowej (liczbie protonów w jadrze), energia potrzebna do zjonizowania każdego „cięższego” pierwiastka rośnie, szczytuje na pierwiastku gazu szlachetnego i spada do następnego atomu o wyższej liczbie atomowej, który jest znów metalem. Następnie cykl się powtarza.

Interesujące jest to, że wodór, najlżejszy element, jest traktowany w tym elektrochemicznym spojrzeniu jako metal, ponieważ ma pojedynczy elektron, który łatwo się urywa z jego zewnętrznego (i jedynego) orbitala. Terminologia astronomiczna, w kontekście zawartości gwiazd, określa wodór i hel jako „gazy”, a wszystkie inne elementy jako „metale”.

Inicjowanie i utrzymywanie jonizacji

Energia do inicjacji i utrzymania jonizacji może być energią kinetyczną pochodzącą z kolizji pomiędzy energetycznymi cząstkami (wystarczająco wysoka temperatura), albo z wystarczająco intensywnego promieniowania. Średnia losowa energia kinetyczna jest rutynowo wyrażana jako temperatura, a w bardzo wysokich prędkościach jako elektronowolty (eV). Aby przekształcić temperaturę z kelwinów (K) do eV, należy podzielić K przez 11604,5. Odwrotnie należy postąpić, by zamienić eV na K.

Wykres powyżej reprezentuje energię jonizacji, potrzebną do oderwania pierwszego, zewnętrznego elektronu od atomu lub molekuły. W ekstremalnie energetycznym środowisku oddzieleniu mogą ulec elektrony z szeregu poziomów, np w pobliżu gwiazd czy dżetów galaktycznych. Ważne: ta energetyczna plazma jest ważnym źródłem jonów i elektronów, które mogą być przyspieszone do ogromnych prędkości, źródła promieniowania kosmicznego i promieniowania synchrotronowego o szerokim spektrum. Powiązania promieniowania kosmicznego z wzorem otaczających chmur, wpływającym na nasz klimat, zostały odnotowane w książce Henrika Svensmarka Chłodzące Gwiazdy.

Temperatura to pomiar, jak dużo cząstki mają losowej energii kinetycznej, co jest powiązane z ilością kolizji pomiędzy nimi i prędkością. Temperatura ma wpływ na stopień jonizacji plazmy. W plazmie mogą się formować pola elektryczne równoległe do lokalnego pola elektrycznego. Cząstki przyspieszane w warunkach pola równoległego mają tendencję do poruszania się równolegle, nie chaotycznie, a w konsekwencji przy niewielkiej ilości zderzeń. Przekształcenie trajektorii cząstek z chaotycznych na równoległe nazywa się „determalizacją”. Mówi się, że w jej wyniku nastaje niższa „temperatura”. Analogia: pomyślmy o ruchu samochodowym w „derby zniszczenia” jako o „gorącym”, kolizjogennym, chaotycznym ruchu, a o swobodnym ruchu na trasie jak o „chłodnym” ruchu równoległym, bez zderzeń.

W kolizji pomiędzy atomem a elektronem może dojść do jonizacji, jeżeli energia (temperatura) elektronu będzie większa niż energia jonizacji atomu. Podobnie, jeżeli elektron zderzy się z jonem, nie dojdzie do rekombinacji, jeżeli energia elektronu jest zbyt duża. Można to zwizualizować tym, że elektron ma większą prędkość, niż prędkość ucieczki jonu, więc nie zostanie przechwycony na orbitę wokół jądra.

Prosty diagram przedstawiający uwolnienie elektronu przy jonizacji obojętnego atomu.

Temperatury elektronów w kosmicznej plazmie mogą dochodzić do tysięcy i milionów kelwinów. Plazma może być więc efektywna w utrzymywaniu swojego stanu jonizacji. Stan odseparowania ładunków jest czymś normalnym w plazmie kosmicznej.

Inne źródła energii jonizującej zawierają wysoko energetyczne promienie kosmiczne, docierające z innych obszarów, wysoko energetyczne, czy też „jonizujące” promieniowanie, takie jak silne światło ultrafioletowe z gazu lub słabo zjonizowanej plazmy pobliskich gwiazd, styk pomiędzy rejonem plazmy i neutralnego gazu, w którym prędkość względna osiąga krytyczną prędkość jonizacji (CIV) (Hannes Alfvén, Collision between a nonionized gas and a magnetized plasma, Rev. Mod. Phys., vol. 32, p. 710, 1960), lub energetyczne procesy radiacyjne wewnątrz samej plazmy.

Wysoko energetyczne procesy obserwowane w mgławicy NGC 3603: niebieski super olbrzym Sher 25 z toroidalnym pierścieniem i bipolarnym dżetem, na górze w środku; łuk i żarzenie wyładowań plazmy jako mgławica emisyjna (biało żółte strefy); gromada gorących, niebieskich gwiazd Wolf-Rayet i młodych gwiazd typu O, z elektrycznymi włóknami i powłokami przez pyłowo-plazmowe regiony mgławicy. Prawa: W. Brandner (JPL/IPAC), E. Grebel (U. of Washington), You-Hua Chou (U. of Illinois, Urbana-Champaign), and NASA Hubble Space Telescope

W kosmologii Wielkiego Wybuchu uważa się, że nie ma we Wszechświecie dostatecznie dużo energii do stworzenia i utrzymania znaczących ilości wolnych elektronów i jonów przez jonizację, a więc nie mogą one istnieć. Z drugiej strony, gdziekolwiek jony i elektrony łączą się w atomy, energia jest zabierana. W modelu Wielkiego Wybuchu protony i elektrony powstały przed atomami, tak więc podczas formowania się atomów we Wszechświecie musiały zostać uwolnione ogromne ilości energii. Wydaje się możliwym, że jeśli model Wielkiego Wybuchu jest poprawny, to ta energia wciąż jest dostępna, żeby zrejonizować dużą ilość materii. Alternatywnie, możliwe, że nie wszystkie protony i elektrony połączyły się w atomy.

Zauważmy, że Elektryczny Wszechświat nie opiera się na Wielkim Wybuchu. Model elektryczny mówi po prostu, że wykrywamy jony i elektrony, gdziekolwiek się skierujemy, a więc one istnieją, być może w dużej ilości. Teleskopy „widzące” wysoko energetyczne fotony, jak Chandra (rentgen) czy EIT (ultrafiolet) na słonecznym statku obserwacyjnym SOHO, potwierdzają istnienie jonizujących źródeł energii we Wszechświecie, zarówno blisko jak i daleko. Sugerowanie, że wolne jony i elektrony nie mogłyby istnieć w dużej ilości z powodu niewystarczającej ilości energii do ich wytworzenia jest tak błędne, jak twierdzenie, że Wszechświat nie mógłby powstać z tego samego powodu.

3.4 Badania plazmy

Norweski naukowiec Kristian Birkeland (1867-1917) ze swoją terrellą („małą ziemią”), próżniowym elektromagnetycznym symulatorem plazmowym, około 1904.

Chociaż plazma może nie być powszechna w ziemskiej biosferze, jest widoczna w wielopostaciowych piorunach, zorzy polarnej, iskrach elektryczności statycznej, wszelkiej maści płomieniach (patrz: rozdział 2, 2.6), w tubach próżniowych, elektrycznym łuku spawarki, w elektrycznych piecach łukowych, elektrycznych maszynach wyładowujących, plazmowych pochodniach do utylizacji toksycznych odpadów, neonach i innych fluorescencyjnych świetlnych tubach i bańkach.

Zachowanie plazmy było przez ponad wiek obszernie studiowane w eksperymentach laboratoryjnych. Istnieje duża ilość opublikowanych badań o zachowaniu plazmy przez różne laboratoria i profesjonalne organizacje, włącznie z Instytutem Elektryczności i Inżynierii Elektronicznej (IEEE), który jest dzisiaj największą profesjonalną techniczną organizacją na świecie. IEEE wydaje czasopismo Transactions on Plasma Science.

Wyjaśniając zachowanie plazmy w dalszej części tego przewodnika, będziemy się opierali przede wszystkim na tych badaniach. Jedną z rzeczy, które należy sobie uświadomić, jest skalowalność plazmy na wiele rzędów wielkości. Tak jest, możemy sprawdzić mało skalowe przykłady plazmy w laboratorium wiedząc, że wyniki mogą być przeskalowane do rozmiarów potrzebnych w wyjaśnieniu zachowania plazmy w kosmosie.

Komora próżniowa do eksperymentów z plazmą w Plazma Physics Group Dr Paula Bellana w Celifornian Institute of Technology, USA, około 2008. Prawa: Cal Tech.

3.5 Plazma i gazy

Z powodu obecności naładowanych cząstek, takich jak jony, elektrony i naładowane drobiny pyłu, plazma kosmiczna zachowuje się zupełnie inaczej w obecności pól magnetycznych niż obojętny gaz.

Siły elektromagnetyczne zmuszają naładowane cząstki do poruszania się w odmienny sposób od neutralnych atomów. Złożone zachowanie plazmy może wynikać z kolektywnego ruchu tego rodzaju.

Znaczącą cechą plazmy jest jej zdolność do formowania wielkoskalowych komórek i włókien. W gruncie rzeczy właśnie stąd plazma wzięła swoją nazwę, z powodu swojego zachowania imitującego formy żywe i podobieństwa do komórek krwi.

Komórkowość plazmy sprawia trudności przy jej modelowaniu. Użycie stwierdzenia „zjonizowany gaz” jest mylące, gdyż sugeruje, że plazmę można modelować w kategoriach gazu lub płynu.

Alfvén i Arrhenius napisali w 1971 Ewolucję Układu Słonecznego: „Podstawowa różnica [w podejściu do modelowania] jest widoczna w pojęciach zjonizowany gaz i plazma, której jakkolwiek są synonimami, niosą ze sobą inne pojęcia. Pierwsze daje nam impresję medium, które jest podobne do gazu, w szczególności do znanej nam gazowej atmosfery. W kontraście do tego, plazma, w szczególności w pełni zjonizowana i zmagnetyzowana, jest medium o zupełnie innych właściwościach.”

3.6 Przewodnictwo elektryczne

Plazma zawiera wolne cząstki naładowane. Pamiętając, że z definicji poruszające się ładunki stanowią prąd, widzimy, że plazma przewodzi elektryczność. W rzeczy samej, skoro plazma zawiera zarówno wolne jony jak i elektrony, elektryczność może być przewodzona przez obydwa rodzaje nośników.

Dla porównania, w metalu przewodnictwo istnieje całkowicie dzięki obecności wolnych elektronów, ponieważ jony są połączone w sieć krystaliczną. To oznacza, że plazma jest znacznie wydajniejszym przewodnikiem niż metal, gdyż zarówno jej jony, jak i elektrony, będą się poruszać pod wpływem przyłożonej siły.

Wydajność przewodzenia plazmy w małych fluorescencyjnych źródłach światła spowodowała szybkie wyparcie przez nie włókien metalowych (ciepło oporowe).

Elektryczny opór plazmy

W modelu grawitacyjnym, plazma jest często traktowana jako doskonały przewodnik o zerowym oporze. Aczkolwiek, każda plazma posiada niewielką, niezerową oporność. Jest to fundamentalne dla kompletnego zrozumienia elektryczności w kosmosie. Ponieważ plazma posiada małą, niezerową oporność, może przewodzić słabe prądy elektryczne bez zwarcia.

Przewodność elektryczna materiału zdeterminowana jest przez dwie rzeczy: gęstość dostępnych nośników (jonów i elektronów) oraz ich mobilność (swobodę ruchu).

W plazmie kosmicznej, mobilność jest ogromna, gdyż przy relatywnie małej gęstości całkowitej, i z reguły niskiej temperaturze, nośniki doświadczają niewielu zderzeń. Z drugiej strony, gęstość nośników również jest bardzo mała, co ogranicza zdolności plazmy do przewodzenia prądu.

Elektryczna oporność plazmy, która jest odwrotnie proporcjonalna do iloczynu gęstości i mobilności ładunku, jest więc mała, ale niezerowa.

Ponieważ pole magnetyczne zmusza poruszające się w nim cząstki naładowane do zmiany kierunku, opór prądu płynącego w poprzek pola jest większy, niż płynącego wzdłuż niego. Jest to ważne przy analizowaniu prądów elektrycznych w plazmie.

Jakkolwiek plazma jest dobrym przewodnikiem, nie jest doskonałym, czy super przewodnikiem.

Powstawanie różnicy ładunków

W wystarczająco dużej przestrzeni plazma dąży do posiadania takiej samej liczby ładunków ujemnych i dodatnich, gdyż każde niebalansowanie jest szybko niwelowane przez energetyczne elektrony. Powstaje zatem pytanie, jak mogą istnieć różnie naładowane regiony, skoro plazma jest dobrym przewodnikiem i szybko dąży do samoneutralizacji?

W małej skali, dla kosmicznej plazmy rzędu dziesiątek metrów, występują w sposób naturalny wariacje, będące rezultatem losowych wariacji ruchu elektronów, a to prowadzi do powstawania małych, przylegających regionów, w których elektryczna obojętność jest tymczasowo niezachowana.

W większej skali, dodatnie i ujemne ładunki poruszające się w polu magnetycznym zostają automatycznie rozdzielone o pewien kąt, gdyż pole działa na nie siłą skierowaną w przeciwnych kierunkach. Skutkuje to pojawianiem się przeciwnie naładowanych regionów, które utrzymują się tak długo, jak długo naładowane cząsteczki poruszają się w polu magnetycznym.

Oddzielone ładunki wytwarzają pole elektryczne, które z kolei przyspiesza jony i elektrony, znowu w przeciwnych kierunkach. Innymi słowy, tak długo, jak istnieją małe niejednorodności, tak długo mają miejsce skomplikowane procesy plazmowe.

Poruszanie się w silnym polu magnetycznym Jowisza powoduje silne rozdzielenie ładunków (separację woltażu), i powoduje przepływ prądu w obwodzie o mocy jakichś 2 trylionów watów pomiędzy księżycem Io a biegunami Jowisza.

W każdej skali charakterystyczne włókniste i komórkowe struktury plazmowe powodują powstawanie cienkich warstw rozdzielających ładunki. Jakkolwiek warstwy te są bardzo cienkie, mogą rozdzielać bardzo rozległe obszary przestrzeni.

3.9 Ważne rzeczy do zapamiętania na temat zachowania plazmy

Podstawową rzeczą, o jakiej należy pamiętać w rozważaniach nad kosmiczną plazmą, jest to, że często zachowuje się ona zupełnie inaczej niż gaz. Naładowane cząsteczki, których obecność definiuje plazmę, reagują na pola elektromagnetyczne, które cząsteczki owe same generują i modyfikują.

W szczególności plazma formuje komórki i włókna wewnątrz siebie samej, skąd wzięła się z resztą jej nazwa, a to zmienia jej zachowanie, na zasadzie sprzężenia zwrotnego.

Zachowanie plazmy przypomina fraktal. Obydwa są złożonymi systemami, powstającymi z relatywnie prostych zasad. Jednak w odróżnieniu od fraktala, plazma jest podatna na niestabilności, które dodają kolejny stopień złożoności.

Żaden matematyczny ani teoretyczny model Wszechświata, który nie bierze pod uwagę owej złożoności, pomija ważny aspekt działania systemu i nie jest w stanie go poprawnie modelować.

Galaktyka aktywna M87 w gromadzie Wirgo, wraz ze swoim długim na 5000 lś prądem elektrycznym wzdłuż włókien plazmy (zwanym „dżetem”), z widocznymi niestabilnościami w postaci jasnych węzłów. Prawa: Space Telescope Institute, Hubble/NASA

Autor: Bob Johnson – Jim Johnson

Link do oryginału: http://www.thunderbolts.info/wp/2011/10/25/essential-guide-to-the-eu-chapter-3/

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.