Niezbędny przewodnik po Elektrycznym Wszechświecie – rozdział 7 – prądy Birkelanda, magnetyczne liny i prądowe warstwy podwójne

7.1 Prądy Birkelanda

Istnieje inny powód zwłókniania się prądów plazmowych. Chodzi o fakt przyciągania się dwóch równoległych prądów. Każdy prąd wytwarza pole magnetyczne, które go otacza i przyciąga inne prądy, zgodnie z prawami elektromagnetyzmu. Na skutek tego dwa równoległe prądy sklejają się razem, jak pokazano na tym krótkim wideo (źródło: demonstracje fizyczne MIT).

Efekt ten dotyczy tak samo pojedynczych elektronów, jak i przewodów z prądem. A zatem, w plazmie rozproszony prąd będzie przejawiał tendencje do koncentrowania się w włókno. Podobnie prąd powierzchniowy również będzie się rozczłonkowywał na oddzielne włókna, podobnie jak powierzchniowy spad wody rozdziela się na oddzielne strumienie.

Skręcone arkusze prądowe, jarzące się w świetle widzialnym i podczerwieni wzdłuż Pętli Łabędzia w mgławicy Welon. Prawa: W. P. Blair, R. Sankrit (Johns Hopkins University / NASA

Jeśli dwa równoległe włókna występują w swoim sąsiedztwie, lub formują arkusz poprzez zwłóknianie, będą się nawzajem przyciągać i z początku poruszać się ku sobie pod wpływem przyciągania magnetycznego, opisanego prawem Biota-Savarta. Mamy zatem tendencję cylindrycznych prądów do występowania w parach.

Zależność odwrotności odległości w sile Biota-Savarta pomiędzy dwoma przewodzącymi prąd włóknami prowadzi, co ciekawe, do parowania się włókien. Powyżej pokazano trzy włókna w symulacji komputerowej typu cząstka-w-komórce (PIC), gdzie tylko dwa włókna zdecydowanie oddziałują, podczas gdy trzecie pozostaje nieruchome. Prowadzi to bezpośrednio do „dwójkowości” lub „podwójności”, gdzie wiele warkoczy występuje w plazmie ze znacznym polem magnetycznym. Źródło: zaadoptowano z obrazka 3.21, Physics of the Plasma Universe, Peratt, Springer Verlag,1992

Punkt równowagi jest osiągany, gdy długo zasięgowa siła przyciągania jest równoważona przez krótko zasięgową odpychającą pomiędzy składowymi azymutalnymi przeciwległych prądów. Analiza pokazuje, że istnieje przesunięcie centrum sił przyciągających, co powoduje działającą na każdy prąd siłę rotacyjną. Podwójny prąd będzie więc miał tendencję do ruchu spiralnego wokół wspólnej osi. Jak poprzednio, oś helisy będzie przebiegać możliwie wzdłuż głównego pola magnetycznego.

Układ dwóch prądów znany jest pod nazwą prądu Birkelanda, po norweskim fizyku Kristianie Birkelandzie, który je studiował na początku XX wieku.

7.2 Magnetyczne liny

Efekt spiralowania prądów wokół siebie powoduje powstanie skręconej liny. Ponieważ prądy przylegają do pola magnetycznego, prądy Birkelanda zwane są często „linami magnetycznymi” lub „tubami przepływu”. Jakkolwiek nie jest to zbyt odpowiednie określenie, gdyż maskuje ono prądową naturę włókna i sugeruje, że jest ono czysto magnetyczne. Nie jest to poprawne, jak widzimy, gdyż siły magnetyczne współistnieją z prądami elektrycznymi.

Ewolucja flar słonecznych, świecących w promieniach rentgena. Na górze: symulowane linie magnetyczne (kolor) z polaryzacją w skali szarości (ciemne – dodatnie, jasne – ujemne). Środek: Symulacja zmian prądów pod wpływem pola magnetycznego z powyżej (ciemniej – intensywniej). Dół: Obserwacja teleskopu rentgenowskiego Hinode z 2007 erupcyjnego, pętlowego układu prądów (ELLF), powiązanego z podwójnym J (sigmoid). Źródło: il. 6. z “Formation of a torus-unstable flux rope and electric currents in erupting sigmoids”; Aulanier, Török, Démoulin & DeLuca, The Astrophysical Journal 708:313-333, 2010 Jan 1

Prądy Birkelanda mogą również przyciągać materię ze swojego otoczenia. Dzieje się tak, gdyż azymutalne pole magnetyczne, wytwarzane przez każdy z prądów osiowych formuje radialnie dośrodkowy gradient ciśnienia z minimum pomiędzy prądami, podczas gdy pola magnetyczne rozciągają się poza linę magnetyczną. Powoduje to przyciąganie zjonizowanej materii znajdującej się na zewnątrz ku środkowi. Proces ten zwany jest konwekcją Marklunda (patrz 6.12).

Chociaż efekt jest podobny do siły I × B pojedynczego cylindra prądowego, minimum ciśnienia magnetycznego pomiędzy dwoma prądami może być efektywniejszym mechanizmem gromadzenia materii.

Gęstość plazmy poza prądem Birkelanda maleje, w miarę, jak gęstość wewnątrz prądu wzrasta. Tym samym prądy Birkelanda są powiązane z wariacjami gęstości w plazmie.

7.3 Widoczne efekty prądów w kosmosie


Skręcone włókno prądowe w mgławicy Podwójna Helisa, blisko centrum Drogi Mlecznej, obraz w podczerwieni. Źródło: NASA/JPL – CalTech/UCLA

Włókniste struktury w rodzaju właśnie opisanych są w kosmosie powszechne. Przykładami są włókna zorzowe, liny przepływu na Wenus, proteburancje słoneczne i strumienie koronalne, warkocze kometarne oraz mgławice międzygwiezdne, w których często widać siatkę włókien. Wspomniano już o włóknistych strukturach z obojętnego wodoru (patrz konwekcja Marklunda w 6.12). Struktury włókniste zaobserwowano również w układach gromad galaktyk.

7.4 Prądowe warstwy podwójne

Widzieliśmy już, że warstwa podwójna może się utworzyć w wyładowaniu jarzeniowym w tubie laboratoryjnej. Oczywiście te warstwy podwójne pozwalały na przepływ prądu, oraz przyspieszały jony i elektrony w silnym polu elektrycznym. Aby odróżnić je od warstw podwójnych nie przepuszczających prądu (CFDL), te znane są jako przewodzące prąd warstwy podwójne (CCDL).

CCDL formują się w odmienny sposób niż CFDL. Są z reguły inicjowane przez jakąś formę niestabilności lub zmienności w przepływie prądu.

Rozważmy na przykład co się stanie, gdy prąd przechodzi przez region, gdzie gęstość plazmy jest mniejsza. Ponieważ prąd jest przenoszony przede wszystkim przez lżejsze elektrony, możemy rozważyć sytuację względem jonów.

Jeżeli elektronowy prąd się nie zmieni, to w obszarze obniżonej gęstości wystąpi gwałtowny nadmiar elektronów, z powodu napływającego strumienia. Spowoduje to różnicę potencjałów, która odepchnie napływające elektrony i przerwie przepływ prądu.

Pamiętając, że prąd jest proporcjonalny do iloczynu gęstości elektronów i ich prędkości, jedynym wyjściem, zmniejszenia gęstości elektronów i zachowania prądu, jest zwiększenie prędkości.

Dzieje się to poprzez formację CCDL na granicy regionu obniżonej gęstości, która przyspiesza elektrony w stronę regionu. Siła warstwy podwójnej będzie rosła, dopóki osiągane przez elektrony prędkości nie obniżą ich gęstości do poziomu równowagi ładunków.

Oczywiście jony również są pod wpływem warstwy podwójnej, ale całkowity efekt jest podobny do opisanego wyżej. Szybsze elektrony mogą być przyczyną dodatkowej jonizacji, która zmienia warunki dla dodatkowej prędkości, ale warstwa podwójna wciąż jest potrzebna do przyspieszania elektronów.

7.5 Niestabilności przepływu i prądowe warstwy podwójne (CCDL)

Prądowe warstwy podwójne mogą się również ukształtować z niestabilności przeciwnego przepływu jonów i elektronów tworzących prąd.

Może wystąpić wiele rodzajów niestabilności. Jednym z przykładów jest niestabilność Bunemana, lub dwustrumieniowa, która występuje, kiedy prędkość strumieniowa elektronów (gęstość prądu podzielona przez gęstość elektronów) przekracza prędkość termiczną elektronów w plazmie. Innymi słowy, prędkość dryfu prądu jest większa niż prędkość losowa prędkość termiczna.

Mechanizm niestabilności Bunemana jest skomplikowany. W praktyce, gęstość jonów i elektronów w plazmie zawsze będzie lokalnie w lekkiej nierównowadze. Plazma dostosowuje się, aby zrównoważyć wszelkie nieregularności. Wariacje gęstości następują na częstotliwości zależnej od temperatury plazmy oraz prądu przez nią przepływającego. Gdy gęstość prądu jest wystarczająco duża, wówczas częstotliwość wariacji gęstości jest zbyt duża do skompensowania nieregularności. Sytuacja staje się niestabilna.

Odkryto, że ten rodzaj niestabilności prowadzi do powstania CCDL. Wariacje w gęstości jonów i elektronów prowadzą do powstawania lokalnych pól elektrycznych. Pola te wymieniają energię z jonami, które zaczynają oscylować z dużą amplitudą, napędzając tym samym wariacje gęstości. Obszary o różnej gęstości jonów rozpinają pomiędzy sobą pole elektryczne.

Gdy powstaje pole elektryczne, przepływ elektronów w prądzie zostaje przerwany i niektóre elektrony zostają „złapane”, i zaczynają płynąć wstecz w lokalnych wirach. Rezultatem jest formacja CCDL, w której część elektronów i jonów jest przyspieszona, a część uwięziona płynie wstecz.

Proces ten jest w niektórych szczegółach podobny do niestabilności w płynach. CCDL jest odpowiednikiem skoku hydraulicznego, gdzie prędkości płynów są różne po każdej stronie skoku, skok zawiera wiry uwięzionego płynu, sam zaś jest na „ustalonej” pozycji.

Nie oznacza to jednak, że analiza płynów jest dostatecznie złożona, aby modelować elektrodynamiczny ruch naładowanych cząstek w polu, które same wytwarzają. Podstawowa różnica jest taka, że warstwa podwójna przyspiesza cząstki w przeciwne strony, zależnie od ich ładunku, podczas gdy skok hydrauliczny redukuje prędkość płynu, wprowadzając turbulencje.

CCDL zawsze koncentruje część spadku potencjału wywołującego prąd, redukując w ten sposób gradient potencjału w pozostałej części prądu.

Tak jak CCDL powstaje, gdy mają miejsce zmiany w charakterystyce prądu, skurcze powstające tam, gdzie przestrzeń przepływu ulega ściśnięciu, również mogą powodować powstawanie warstw podwójnych tam, gdzie zmienia się obszar prądu.

7.6 Rozpraszanie energii w warstwach podwójnych

Elektrony przyspieszone na spadku potencjału w warstwie podwójnej mają tendencje do wytracania swojej energii w zderzeniach z neutralnymi atomami poza warstwą podwójną. Pobudzone w ten sposób atomy wypromieniowują światło, wracając do stanu podstawowego. Warstwa podwójna jest więc miejscem, gdzie plazma może rozproszyć nadmiar energii na zasadzie rezystora w obwodzie elektrycznym.

Mechanizm ten pełni rolę w stabilności obwodu plazmowego, pozwalając na „bezpieczne” rozproszenie energii, która w przeciwnym wypadku powodowałaby powstawanie turbulencyjnych niestabilności.

7.7 Klasyfikacja warstw podwójnych

Jak już wspomniano, istnieje podstawowa różnica pomiędzy warstwą podwójną przewodzącą (CCDL) a nie przewodzącą (CFDL) prądu, które formują się przez odmienne mechanizmy i są rozróżnialne po tym, czy pozwalają, czy też nie pozwalają na przepływ prądu.

Inna klasyfikacja bazuje na sile warstwy podwójnej. W zależności od spadku potencjału, warstwa podwójna może być słaba, silna lub relatywistyczna. Każda klasa wywiera inne efekty na otaczającą ją plazmę.

Jeżeli spadek potencjału przez warstwę podwójną jest większy niż potencjał plazmy, wówczas warstwa jest klasyfikowana jako silna. Silna warstwa podwójna odbija naładowane cząstki o energii mniejszej niż potencjał plazmy. Tylko cząstki o większej energii przedostaną się przez warstwę podwójną i zostaną przyspieszone.

Słaba warstwa podwójna będzie spowalniać cząstki o potencjale plazmy przychodzące do niej od „złej” strony, ale potem ponownie je przyspieszy, gdy będą przez nią przechodzić.

Gdy spadek potencjału zdolny jest nadać cząstkom energię większą niż energia spoczynkowa elektronu, wówczas warstwa podwójna nosi miano relatywistycznej. Warstwa relatywistyczna nadaje więc cząstkom niemal prędkość światła. Zjawisko takie może zachodzić w potężnych, prądowych, skupionych dżetach plazmy wychodzących z jednego bądź obu biegunów radiogalaktyk.

Dżet, wychodzący z galaktyki Centaurus A, w fałszywych kolorach: w paśmie radiowym (niebieski) i rentgena (czerwony). Źródło: rentgen: NASA/Chandra; radio: NRAO/AUI.

Autor oryginału: Bob Johnson – Jim Johnson

Link do oryginału: http://www.thunderbolts.info/wp/2012/01/04/essential-guide-to-the-eu-chapter-7/

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.