Alfven dalgası - Alfvén wave

Bir Alfvén dalgasında, soldan yaklaşık altıda bir uzaklıkta oluşan bir çift katman kümesi. Kırmızı = elektronlar, Yeşil = iyonlar, Sarı = elektrik potansiyeli, Turuncu = paralel elektrik alanı, Pembe = yük yoğunluğu, Mavi = manyetik alan
Kinetik Alfven dalgası

Olarak plazma fizik bir Alfven dalga adını, Hannes Alfvén'e , bir tür manyetohidrodinamik bir dalga olan iyonlar , bir tarafından sağlanan bir geri döndürme kuvvetine karşılık olarak salınım etkili bir gerilim ile manyetik alan çizgileri.

Tanım

Plazmadaki bir Alfvén dalgası , iyonların ve manyetik alanın salınımını hareket ettiren ( iyon siklotron frekansına kıyasla) düşük frekanslı bir dalgadır . İyon kütle yoğunluğu atalet sağlar ve manyetik alan hattı gerilimi geri yükleme kuvvetini sağlar.

Dalgalar, eğik gelişte mevcut olmasına ve yayılma manyetik alana dik olduğunda manyetosonik dalgaya düzgün bir şekilde dönüşmesine rağmen, dalga manyetik alan yönünde yayılır.

İyonların hareketi ve manyetik alanın bozulması, aynı yönde ve yayılma yönüne çaprazdır . Dalga dispersiyonsuzdur .

Alfven hızı

Manyetize bir plazmanın düşük frekanslı bağıl geçirgenliği ε ile verilir.

burada B bir manyetik alan kuvveti , C olan ışık hızı , μ 0 olan geçirgenliği ve vakum ve kütle yoğunluğu

iyon sayısı yoğunluğu n s ve bireysel iyonik kütle m s ile her tür s ile indekslenen tüm yüklü plazma parçacıkları üzerinde toplanır ; toplam hem elektronları hem de (birkaç tür) iyonu içerir.

Böyle bir ortamdaki bir elektromanyetik dalganın faz hızı,

Alfvén dalgası durumunda

nerede

olan Alfvén dalga grup hızı .

Eğer v A « c , sonra vv A .      

Diğer yandan, v → ∞   , daha sonra v Ac . Yani, yüksek alan veya düşük yoğunlukta, Alfvén dalgasının grup hızı ışık hızına yaklaşır ve Alfvén dalgası sıradan bir elektromanyetik dalga haline gelir.      

Elektronların kütle yoğunluğuna katkısını ihmal ederek ve tek bir iyon türü olduğunu varsayarak,

SI'da
Gauss'ta

burada n i iyon sayısı yoğunluğudur ve m i iyon kütlesidir.

Alfvén zamanı

Olarak plazma fizik , Alfvén zaman τ A dalga fenomeni önemli zaman çizelgesi olduğunu. Alfvén hızıyla şu şekilde ilişkilidir:

burada a , sistemin karakteristik ölçeğini gösterir. Örneğin a , bir tokamak'taki simitin küçük yarıçapı olabilir .

göreceli durum

1993 yılında Gedalin, göreli manyetohidrodinamiği kullanarak Alfvén dalga hızını elde etti.

burada e , plazma parçacıklarının toplam enerji yoğunluğudur, P , toplam plazma basıncıdır ve

bir manyetik basınç . Relativistik olmayan sınır olarak P   «   e   ≈   p, C ²  , ve hemen önceki bölümden ifade iyileşir.  

Tarih

koronal ısınma sorunu

Alfvén dalgalarının incelenmesi, heliofizikte uzun süredir devam eden bir soru olan koronal ısınma probleminden başladı . Güneş koronasının sıcaklığının , sadece birkaç bin kelvin olan yüzeyine ( fotosfer ) kıyasla neden sıcak olduğu (yaklaşık bir milyon kelvin) belirsizdi . Sezgisel olarak, bir ısı kaynağından uzaklaşırken sıcaklıkta bir düşüş görmek mantıklı olabilir, ancak fotosfer daha yoğun olmasına ve koronadan daha fazla ısı üretmesine rağmen durum böyle görünmüyor.

1942'de Hannes Alfvén Nature'da , koronayı ve güneş rüzgarını ısıtmak için fotosferden enerji taşıyacak bir elektromanyetik-hidrodinamik dalganın varlığını önerdi . Güneşin bu dalgaları desteklemek için gerekli tüm kriterlere sahip olduğunu ve onların da güneş lekelerinden sorumlu olabileceğini iddia etti. Belirtti:

Alfvén S-dalgaları olarak adlandırılan manyetik dalgalar, kara delik jetlerinin tabanından akar .

İletken bir sıvı sabit bir manyetik alana yerleştirilirse, sıvının her hareketi elektrik akımları üreten bir EMF'ye yol açar . Manyetik alan sayesinde bu akımlar, sıvının hareket durumunu değiştiren mekanik kuvvetler verir. Böylece bir tür birleşik elektromanyetik-hidrodinamik dalga üretilir.

—  Hannes Alfven (1942),

Bunun sonunda Alfvén dalgaları olduğu ortaya çıkacaktı. Bu keşif için 1970 Nobel Fizik Ödülü'nü aldı .

Deneysel çalışmalar ve gözlemler

Konveksiyon bölgesi güneş enerji esas olarak taşınır edildiği fotosfere altındaki bölge konveksiyon nedeniyle güneş dönüşüne çekirdeğin harekete karşı duyarlıdır. Yüzeyin altındaki değişen basınç gradyanları ile birlikte , konveksiyon bölgesinde üretilen elektromanyetik dalgalanmalar , fotosferik yüzey üzerinde rastgele harekete neden olur ve Alfvén dalgaları üretir. Dalgalar daha sonra yüzeyi terk eder, kromosfer ve geçiş bölgesi boyunca ilerler ve iyonize plazma ile etkileşime girer. Dalganın kendisi enerjiyi ve elektrik yüklü plazmanın bir kısmını taşır.

1990'ların başında, de Pontieu ve Haerendel, Alfvén dalgalarının spikül olarak bilinen plazma jetleri ile de ilişkili olabileceğini öne sürdüler . Bu kısa süreli aşırı ısınmış gaz sıçramalarının, Alfvén dalgalarının salınımlı enine hareketinin yanı sıra kendi yukarı hızlarının birleşik enerjisi ve momentumu tarafından taşındığı teorileştirildi .

2007'de Alfvén dalgalarının ilk kez Tomcyzk ve diğerleri tarafından koronaya doğru hareket ettiği bildirildi , ancak tahminleri Alfvén dalgaları tarafından taşınan enerjinin koronayı muazzam sıcaklıklarına ısıtmak için yeterli olduğu sonucuna varamadı. dalgaların genlikleri yeterince yüksek değildi. Ancak 2011 yılında McIntosh ve ark . yüksek enerjili Alfvén dalgalarının, koronayı milyon kelvin sıcaklığına kadar ısıtmayı sürdürebilen enerjik spiküllerle birleştiğini bildirdi. Gözlenen bu genlikler (2007'de gözlenen 0,5 km/s'ye karşı 20,0 km/s), 2007'de gözlenenlerden yüz kat daha fazla enerji içeriyordu. Dalgaların kısa periyodu da koronal atmosfere daha fazla enerji transferine izin verdi. 50.000 km uzunluğundaki spiküller, koronayı geçerek güneş rüzgarını hızlandırmada da rol oynayabilir.

Bununla birlikte, Alfvén dalgalarının karmaşık Güneş atmosferinde, 2007'deki Hinode döneminden başlayarak önümüzdeki 10 yıl boyunca yukarıda bahsedilen keşifleri, çoğunlukla, manyetik alanın enine yapılanması nedeniyle esasen karışık bir mod olarak üretilen Alfvénic dalgaları alanına düşmektedir. ve lokalize akı tüplerinde plazma özellikleri. 2009 yılında Jess ve ark . İsveç Güneş Teleskobu (SST) tarafından kromosferik parlak noktaların üzerinde gözlemlenen H-alfa çizgi genişliğinin periyodik değişimini bildirdi . Alt güneş atmosferindeki uzun periyotlu (126-700 s), sıkıştırılamaz, burulma Alfvén dalgalarının ilk doğrudan tespitini iddia ettiler.

Jess ve arkadaşlarının ufuk açıcı çalışmasından sonra . (2009), 2017'de Srivastava ve ark . Güneş'in kromosferik ince yapılı akı tüplerinde yüksek frekanslı burulma Alfvén dalgalarının varlığını tespit etti . Bu yüksek frekanslı dalgaların, Güneş'in koronasını ısıtabilen ve ayrıca süpersonik güneş rüzgarını başlatabilen önemli miktarda enerji taşıdığını keşfettiler. 2018'de, spektral görüntüleme gözlemlerini, LTE olmayan (yerel termodinamik denge) inversiyonlarını ve güneş lekesi atmosferlerinin manyetik alan ekstrapolasyonlarını kullanarak, Grant ve ark. kromosferik umbral atmosferin dış bölgelerinde hızlı mod şokları oluşturan eliptik olarak polarize Alfvén dalgaları için kanıt buldu. Aktif bölge noktalarının üzerindeki bu tür Alfvén dalga modlarının dağılmasıyla sağlanan fiziksel ısı derecesinin nicelleştirilmesini sağladılar.

Tarihsel zaman çizelgesi

  • 1942: Alfvén, Nature 150, 405–406 (1942)'de yayınlanan bir makalede elektromanyetik-hidromanyetik dalgaların varlığını öne sürüyor .
  • 1949: S. Lundquist'in laboratuvar deneyleri, manyetize cıvada, Alfvén'in formülüne yaklaşan bir hızla bu tür dalgalar üretir.
  • 1949: Enrico Fermi , kozmik ışınlar teorisinde Alfvén dalgalarını kullanır . Göre Alexander J. Dessler'ın 1970 yılında Science dergisi makalesinde, Fermi Chicago Üniversitesi'nde bir konferans duymuştu, Fermi ve ertesi gün "elbette" exclaiming başını salladı, fizik dünya "tabii" dedi.
  • 1950: Alfvén , hidromanyetik dalgaları detaylandıran ve bunların hem laboratuvar hem de uzay plazmalarındaki uygulamalarını tartışan Cosmical Electrodynamics adlı kitabının ilk baskısını yayınladı .
  • 1952: Winston Bostick ve Morton Levine tarafından iyonize helyum ile yapılan deneylerde ek doğrulamalar ortaya çıktı .
  • 1954: Bo Lehnert, sıvı sodyumda Alfvén dalgaları üretir .
  • 1958: Eugene Parker , yıldızlararası ortamda hidromanyetik dalgalar önerir .
  • 1958: Berthold, Harris ve Hope, Argus nükleer testinden sonra iyonosferde patlama tarafından üretilen ve Alfvén formülüyle tahmin edilen hızlarda hareket eden Alfvén dalgalarını tespit ettiler .
  • 1958: Eugene Parker, Güneş koronasında Güneş rüzgarına doğru uzanan hidromanyetik dalgalar önerir .
  • 1959: DF Jephcott, gaz deşarjında ​​Alfvén dalgaları üretir.
  • 1959: CH Kelley ve J. Yenser, ortam atmosferinde Alfvén dalgaları üretiyor.
  • 1960: Coleman ve diğerleri. Pioneer ve Explorer uydularındaki manyetometre ile Alfvén dalgalarının ölçümünü rapor edin .
  • 1961: Sugiura, Dünya'nın manyetik alanındaki hidromanyetik dalgaların kanıtlarını öne sürüyor.
  • 1961: Normal Alfvén modları ve sıvı sodyumdaki rezonanslar Jameson tarafından incelenmiştir .
  • 1966: RO Motz oluşturur ve Alfvén dalgaları gözlemler cıva .
  • 1970: Hannes Alfvén , " plazma fiziğinin farklı bölümlerinde verimli uygulamalarla manyeto-hidrodinamikte temel çalışma ve keşifler" için 1970 Nobel Fizik Ödülü'nü kazandı .
  • 1973: Eugene Parker, galaksiler arası ortamda hidromanyetik dalgalar önerir .
  • 1974: JV Hollweg, gezegenler arası uzayda hidromanyetik dalgaların varlığını öne sürüyor .
  • 1977: Mendis ve Ip, Kohoutek Kuyruklu Yıldızı'nın komasında hidromanyetik dalgaların varlığını öne sürdüler .
  • 1984: Roberts ve diğerleri. güneş koronasında duran MHD dalgalarının varlığını tahmin eder ve koronal sismoloji alanını açar .
  • 1999: Aschwanden ve diğerleri. ve Nakariakov ve ark. Geçiş Bölgesi ve Koronal Gezgini ( TRACE ) üzerindeki aşırı ultraviyole (EUV) görüntüleyici ile gözlemlenen solar koronal döngülerin sönümlü enine salınımlarının tespitini rapor edin ve bu, döngülerin duran bükülme (veya "Alfvénic") salınımları olarak yorumlanır. Bu, Roberts ve arkadaşlarının teorik tahminini doğrular. (1984).
  • 2007: Tomczyk ve ark. New Mexico'daki Ulusal Güneş Gözlemevi'nde Koronal Çok Kanallı Polarimetre (CoMP) cihazı ile güneş korona görüntülerinde Alfvénic dalgalarının tespit edildiğini bildirdi . Ancak, bu gözlemlerin koronal plazma yapılarının bükülme dalgaları olduğu ortaya çıktı. [1] [2]
  • 2007: Science dergisinde Hinode uzay gözlemeviyle ilgili özel bir sayı yayınlandı . Koronal atmosferdeki Alfvén dalga imzaları Cirtain ve diğerleri, Okamoto ve diğerleri ve De Pontieu ve diğerleri tarafından gözlemlendi. De Pontieu ve diğerleri tarafından gözlemlenen dalgaların enerji yoğunluğunun bir tahmini . dalgalarla ilişkili enerjinin koronayı ısıtmak ve güneş rüzgarını hızlandırmak için yeterli olduğunu gösterdiler .
  • 2008: Kaghashvili ve diğerleri. güneş koronasındaki Alfvén dalgalarını tespit etmek için bir teşhis aracı olarak tahrik edilen dalga dalgalanmalarını kullanır.
  • 2009: Jess ve diğerleri. İsveç Güneş Teleskobu'nu kullanarak yapılandırılmış Güneş'in kromosferindeki burulma Alfvén dalgalarını tespit edin .
  • 2011: Alfvén dalgaları yapılmış bir sıvı metal alaşım yaymak için gösterilmiştir galyum .
  • 2017: Srivastava ve diğerleri tarafından gerçekleştirilen 3B sayısal modelleme. İsveç Güneş Teleskobu tarafından tespit edilen yüksek frekanslı (12-42 mHz) Alfvén dalgalarının, Güneş'in iç koronasını ısıtmak için önemli miktarda enerji taşıyabileceğini gösteriyor.
  • 2018: Spektral görüntüleme gözlemlerini, LTE olmayan inversiyonları ve güneş lekesi atmosferlerinin manyetik alan ekstrapolasyonlarını kullanarak, Grant ve ark. kromosferik umbral atmosferin dış bölgelerinde hızlı mod şokları oluşturan eliptik olarak polarize Alfvén dalgaları için kanıt buldu. Bu yazarlar ilk kez, bu tür Alfvén dalga modlarının dağılmasıyla sağlanan fiziksel ısı derecesinin nicelleştirilmesini sağladılar.

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

Dış bağlantılar