Niezbędny przewodnik po Elektrycznym Wszechświecie – rozdział 9 – niestabilności obwodów plazmowych

9.1 Eksplodująca warstwa podwójna

Energia indukcji obwodu jest funkcją prądu i indukcyjności. Jeżeli jakikolwiek obwód indukcyjny zostanie przerwany, np. przez otwarcie przełącznika, wówczas energia indukcyjna obwodu zostanie wyzwolona w punkcie przerwania. Jest to znane zjawisko, rutynowo wykorzystywane w inżynierii elektrycznej, o czym więcej tutaj.

Wykresy eksplodującego przewodnika w różnych obwodach indukcyjnych, z raportu „Inicjacja eksplozji przez eksplodujący przewodnik”, United States Naval Ordinance Laboratory, White Oak, Maryland, 15 May 1963

W obwodzie plazmowym, przerwanie prądu może nastąpić na skutek niestabilności warstwy podwójnej. Gdy coś takiego ma miejsce, wówczas cała energia obwodu uwalniana jest w warstwie podwójnej. To może spowodować jej eksplozję, co w rezultacie prowadzi do ogromnego spadku woltażu w rozszerzającej się warstwie oraz rozproszenia ogromnej ilości energii w postaci ciepła i promieniowania, będącego wynikiem oddziaływania przyspieszonych cząstek z inną materią. Może się to dziać przy stałym polu magnetycznym. Nie odgrywa ono tutaj wielkiej roli.

Ekslozja gwiazdy, Nova Cygni 1992, prezentująca efekt gwałtownego uwolnienia przez gwiazdę dużej ilości energii, z torusem plazmy świecącym najwyraźniej w „węzłach” niestabilności. Wyliczona średnica pierścienia wynosi 154,5 miliarda kilometrów, lub 96 miliardów mil – prawie 6 lat świetlnych. Źródło: NASA/Hubble Space Telescope, 1994

Jeśli płynący w obwodzie prąd wciąż występuje po eksplozji, cykl może się powtarzać w nieskończoność. Tworzy się warstwa podwójna, prąd rośnie, warstwa podwójna eksploduje uwalniając ogromną emisję promieniowania, prąd ponownie zaczyna płynąć, tworzy się nowa warstwa podwójna.

Jest oczywistym, że ten rodzaj zachowania nie może być opisany modelem pola. Ten poziom złożoności osiągnąć może tylko model prądowy.

Rozszerzające się obwody

Energia z obwodu indukcyjnego może być również uwolniona w wybuchowej ekspansji pętli prądowej na skutek sił generowanych przez sam prąd w pętli. Widzieliśmy już, jak prąd osiowy prowadzi do skurczu magnetycznego. Przeciwną sytuacją jest pętla prądowa generująca osiowe pole magnetyczne. W tej sytuacji, siła I × B jest skierowana radialnie na zewnątrz.

Jeżeli wewnętrzne ciśnienie nie jest zbalansowane przez inną siłę, wówczas pętla prądowa zacznie się rozszerzać. W metalowym przewodniku siła taka pojawia się wewnętrznie w samej strukturze metalu. W plazmie może być jej zbyt mało, szczególnie, jeśli energia indukcyjna zostaje uwolniona w krótkim odcinku czasu, np. na skutek zapaści warstwy podwójnej.

Może być to przyczyną eksplozji pętli prądowej, jak to jest często obserwowane w przypadku słonecznych koronalnych wyrzutów masy (CME), gdzie pętla prądowa gwałtownie rozszerza się w kierunku od powierzchni Słońca. To proste wytłumaczenie bazujące na znanych zjawiskach elektrycznych jest kontrastowe do rozwiązania z modelu grawitacyjnego, w którym wprowadzono „magnetyczną rekoneksję” linii pola magnetycznego. Ponieważ linie te nie istnieją fizycznie, trudno jest powiedzieć, jak mogą one się „rozłamać” i „złączyć” ponownie, uwalniając przy tym energię.

Koronalny wyrzut masy słonecznej (Słońce przysłonięte dyskiem). Źródło: SOHO, 2002

9.3 Inne włókniste niestabilności

Włókniste prądy są, jak widzimy, polem dla siły skurczu. Aczkolwiek skurcz sam w sobie jest w szeregu okoliczności niestabilny. Jeśli siła skurczu się zwiększy i spowoduje skurczenie, spowoduje to dalsze zwiększenie siły skurczu i kurczenia się plazmy. Włókno prądowe może być tak skurczone, że formuje się w serię wybrzuszeń i przewężeń, jak sznur kiełbasy.

Zdjęcie przedstawiające supełkową lub „kiełbasianą” niestabilność w jednym z najwcześniejszych urządzeń z-skurczu plazmy, tuby Pyrex używanej przez zespół AEI w Aldermaston, UK, około 1951/52 – domena publiczna

Jeśli prąd osiowy jest dostatecznie silny, wówczas skurcz może doprowadzić do całkowitego zapadnięcia się. W takiej sytuacji prąd osiowy zostaje przekształcony w prąd pierścieniowy w strefach skurczu, oraz w pączkopodobne magnetyczne plazmoidy wzdłuż linii włókna. Jeżeli materia była już zgromadzona we włóknie, wówczas zostanie ona rozprowadzona na włóknie jak perły na nitce. Może to wyjaśnić wiele liniowych układów ciał w kosmosie.

Źródło: Ilustracja 3.b) z „Charakteryzacji międzygwiezdnych włókien przy pomocy teleskopu Herschel w IC 5146”, Astronomy and Astrophysics Letter to the Editor, 529, L6 (2011), D. Arzoumanian et al., z dodanymi notkami wyjaśniającymi

Ilustracja powyżej posiada pokrywające „linie grzbietowe” wzdłuż linii największej gęstości włókien, widocznej w pasmie podczerwonym tego regionu. Analiza 27 segmentów pokazała, że typowa szerokość włókna wynosi około 0,1 parseka (1/3 roku świetlnego), niezależnie od długości. Obszary formowania się gwiazd i protogwiazdowych „rdzeni” znajdowane zostawały szczególnie w obszarze linii grzbietowych owych międzygwiezdnych włókien.

Autorzy zanotowali, że „jeżeli wielkoskalowe turbulencje stwarzają odpowiedni mechanizm do powstania włókien, to fakt, że pregwiazdowe rdzenie utworzyły się w niestabilnych grawitacyjnie włóknach sugeruje, że grawitacja jest główną siłą sterującą dalszą ewolucją włókien.” Podejście elektryczne wzmiankuje, że wiele niestabilności plazmowych obserwowanych w kosmosie zostało odtworzonych w ziemskich laboratoriach, lecz wzmianki o takich mechanizmach są rzadko rozważane w wyjaśnieniach prezentowanych w recenzowanej prasie naukowej.

Kolejną formą niestabilności jest niestabilność węzłowa. Występuje najczęściej w prądach Birkelanda, gdzie prąd przylega do zewnętrznego pola magnetycznego. Skurcz formuje się wówczas silnie w sposób helikalny. Efektem jest przesunięcie cylindra prądu względem kierunku pola. Wygląda to jak węzeł na prądzie, gdy spojrzeć pod odpowiednim kątem.

Fotografia niestabilności plazmowej w laboratorium: „Węzeł powstaje, gdy centralna kolumna staje się dostatecznie długa, żeby spełnić warunek niestabilności”. Z prezentacji „Symulacja astrofizycznych dżetów w laboratorium”. Dzięki uprzejmości profesora Bauma Bellana, KTTP & Caltech

Fizyk plazmowy Paul Bellan, wraz ze swoimi studentami z CalTech, badają niestabilności plazmowe, aby lepiej poznać potężne zjawiska obserwowane na Słońcu. Tutaj znajduje się krótkie wideo (kilka klatek reprezentujących 16,5 mikrosekund ewolucji), przedstawiające jeden z laboratoryjnych eksperymentów obejmujący tworzenie niestabilności plazmowej, jako załącznik do pracy Anny Moser: „Nature: Magnetic reconnection from a multiscale instability cascade”.

9.4 Niestabilności Peratta

W bieżących badaniach Anthony Peratta, raportowanych przez pisma IEEE oraz innych instytucji akademickich, zidentyfikowano szereg bardzo energetycznych wyładowań plazmowych, które teraz otrzymały swoją nazwę. Tutaj znajduje się reprezentatywna publikacja Peratta oraz Van Der Sluijs.

Niestabilności Peratta są stanami wyładowania plazmowego, które przyjmują konkretną formę, oraz które, mimo nazwy, pozostają stabilne przez wystarczająco długo okres czasu, aby dało się je zaobserwować. Pod pewnymi względami są one jak warstwy podwójne, które są dynamicznymi „niestabilnościami”, pozostającymi w jednym miejscu i powodującymi gwałtowny ruch cząstek.

Niestabilności Peratta często przyjmują formę wyładowania kolumnowego, otoczonego przez leżące na sobie torusy plazmowe. Torusy dolny i górny mogą ewoluować w kształty filiżanki lub dzwonu. Krawędzie toroidów często wyciągają się w dół i w górę. Ilość toroidów waha się od trzech do dziewięciu i przypominać wszystko od kielicha po drabinę. Istnieją również inne formy, w zależności od natury plazmy oraz prądu przez nią płynącego.

Badania Peratta nad fenomenami plazmowymi na wielu skalach skłoniły go do wysnucia przypuszczenia, że rysunki naskalne z względnie bliskiej historii mogą być świadectwem obserwacji form wyładowania plazmowego, z towarzyszącą mu charakterystycznymi dla niestabilności formami i kształtami, co zostało pokazane w uderzającej graficznie publikacji IEEE, Characteristics for the Occurrence of a High-Current Z-Pinch Aurora as Recorded in Antiquity, IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 31, No. 6, December 2003.

Należy tu uwypuklić, że żadna z tych form niestabilności nie mogłaby być przewidziana poprzez analizę bazującą na polach magnetycznych, chociaż symulacje PIC potwierdzają te wyniki. Widzimy po raz kolejny, że zachowanie plazmy jest często zbyt skomplikowane, aby dało się opisać równaniami magnetohydrodynamiki. Istnieje potrzeba oparcia analizy na ruchu cząstek, co jest rozwiązaniem bazującym na prądzie.

Co więcej, niestabilności plazmowe mogą być mechanizmem właściwym do wyjaśnienia wielu złożonych oddziaływań zachodzących w układach gwiezdnych i planetarnych, jak również energetycznych zjawisk na powierzchni oraz wokół gwiazd.

Autor oryginału: Bob Johnson – Jim Johnson

Link do oryginału: http://www.thunderbolts.info/wp/2012/02/26/essential-guide-to-the-eu-chapter-9/

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.