La velocidad de ionización crítica (CIV), o velocidad crítica (CV), es la velocidad relativa entre un gas neutro y el plasma (un gas ionizado), a la que el gas neutro comenzará a ionizarse . Si se suministra más energía, la velocidad de los átomos o moléculas no excederá la velocidad de ionización crítica hasta que el gas esté casi completamente ionizado.
El fenómeno fue predicho por el ingeniero y científico del plasma sueco, Hannes Alfvén , en relación con su modelo sobre el origen del Sistema Solar (1942). [1] [2] [3] En ese momento, no se disponía de ningún mecanismo conocido para explicar el fenómeno, pero la teoría se demostró posteriormente en el laboratorio. [4] Investigaciones posteriores de Brenning y Axnäs (1988) [5] han sugerido que una menor inestabilidad del plasma híbrido está involucrada en la transferencia de energía de los iones más grandes a los electrones para que tengan suficiente energía para ionizar. La aplicación de la teoría a la astronomía a través de una serie de experimentos ha producido resultados mixtos.[6] [7]
Investigación experimental
El Real Instituto de Tecnología de Estocolmo llevó a cabo las primeras pruebas de laboratorio y descubrió que (a) la velocidad relativa entre un plasma y un gas neutro podía aumentarse a la velocidad crítica, pero luego se ponía energía adicional en el sistema para ionizar el neutro gas, en lugar de aumentar la velocidad relativa, (b) la velocidad crítica es aproximadamente independiente de la presión y el campo magnético. [4]
En 1973, Lars Danielsson publicó una revisión de la velocidad de ionización crítica y concluyó que la existencia del fenómeno "está probada por pruebas experimentales suficientes". [8] En 1976, Alfvén informó que "La primera observación del efecto de la velocidad crítica en condiciones cósmicas fue informada por Manka et al. (1972) [9] desde la Luna. Cuando se realizó un módulo de excursión lunar [391] abandonado a impacto en el lado oscuro de la Luna no muy lejos del terminador, se produjo una nube de gas que cuando se expandió y fue golpeada por el viento solar dio lugar a electrones supertérmicos ". [10]
En el laboratorio, la velocidad de ionización crítica se ha reconocido durante algún tiempo y se ve en la penumbra producida por un dispositivo de enfoque de plasma denso (o pistola de plasma). No se ha confirmado su existencia en plasmas cósmicos.
En 1986, Gerhard Haerendel, sugirió que la ionización a velocidad crítica puede estabilizar el flujo de plasma en un coma cometario. [11] En 1992, E. Golbraikh y M. Filippov argumentaron que la velocidad de ionización crítica podría desempeñar un papel en las eyecciones de masa coronal y las erupciones solares , [12] y en 1992, Anthony Peratt y Gerrit Verschuur sugirieron que las emisiones interestelares de hidrógeno neutro llevaban el firma de ionización de velocidad crítica. [13]
Una revisión del fenómeno realizada en 2001 por Shu T. Lai informa que "... los experimentos de laboratorio y las simulaciones por computadora han demostrado que el CIV es factible y razonablemente comprendido, aunque todos los experimentos del CIV en el espacio han arrojado resultados negativos con quizás tres excepciones". [7]
También en 2001, C. Konz, et al., "... discuten el efecto de la velocidad crítica como una posible explicación de la emisión de Hα observada [...] en el halo galáctico cerca de los bordes de las nubes de gas frío de la Corriente de Magallanes" [ 14]
El fenómeno CIV también se ha demostrado en diferentes experimentos de laboratorio de plasma de baja temperatura (LTP) en los que un plasma y un gas neutro están en movimiento relativo a través de un campo magnético como los magnetrones. Las simulaciones que involucran plasma acelerado en un gas similar a los experimentos LTP de campo cruzado muestran inestabilidades rotativas que se mueven a una velocidad cercana a la velocidad crítica de ionización [15]
Desarrollo teórico
Velocidades de ionización críticas típicas (según Alfvén (1976)) | |||
---|---|---|---|
Elemento | Potencial de ionización V ion (V) | Masa atómica promedio | Velocidad crítica V crit (10 3 m / s) |
Hidrógeno | 13,5 | 1.0 | 50,9 |
Helio | 24,5 | 4.0 | 34,3 |
Neón | 21,5 | 20,2 | 14.3 |
Nitrógeno | 14,5 | 14.0 | 14,1 |
Carbón | 11,2 | 12,0 | 13,4 |
Oxígeno | 13,5 | 16,0 | 12,7 |
Matemáticamente, la velocidad de ionización crítica de una nube neutra, es decir, cuando la nube comienza a ionizarse, es cuando la energía cinética relativa es igual a la energía de ionización, es decir:
donde el ion eV es el potencial de ionización de los átomos o moléculas en la nube de gas, m es la masa, v es la velocidad. El fenómeno también se denomina ionización La velocidad crítica , [11] y también efecto de velocidad crítica ,. [dieciséis]
Alfvén consideró una nube de gas neutro que ingresa al Sistema Solar, y señaló que un átomo neutro caerá hacia el Sol bajo la influencia de la gravedad y su energía cinética aumentará. Si su movimiento es aleatorio, las colisiones harán que la temperatura del gas aumente, de modo que a cierta distancia del Sol, el gas se ionizará. Alfvén escribe que el potencial de ionización del gas, ion V , ocurre cuando:
es decir, a una distancia de:
(donde r i es la distancia del ion al Sol de masa M , m ' es el peso del átomo, el ion V está en voltios, k es la constante gravitacional). Luego, cuando el gas se ioniza, entran en vigor las fuerzas electromagnéticas, de las cuales la más importante es la fuerza magnética que suele ser mayor que la fuerza gravitacional que da lugar a una repulsión magnética del Sol. En otras palabras, un gas neutro que cae desde el infinito hacia el Sol se detiene a una distancia r i donde se acumulará y quizás se condensará en planetas.
Alfvén descubrió que al tomar una nube de gas con un voltaje de ionización promedio de 12 V y un peso atómico promedio de 7, se encuentra que la distancia r i coincide con la órbita de Júpiter.
La velocidad de ionización crítica del hidrógeno 50,9 x 10 5 cm / s (50,9 km / s) y el helio es 34,3 x 10 5 cm / s (34,3 km / s). [17]
Fondo
Alfvén analiza sus pensamientos detrás de la velocidad crítica, en sus publicaciones de la NASA Evolution of the Solar System. [17] Después de criticar la "Insuficiencia de la teoría del disco homogéneo", escribe:
"... es más atractivo recurrir a la alternativa de que los cuerpos secundarios se derivan de la materia que cae desde el" infinito "(una distancia grande en comparación con. la órbita del satélite). Esta materia (después de ser detenida y dado suficiente momento angular) se acumula a distancias específicas del cuerpo central. Este proceso puede tener lugar cuando los átomos o moléculas en caída libre alcanzan una energía cinética igual a su energía de ionización. En esta etapa, el gas puede ionizarse mediante el proceso descrito en la sección 21.4; El gas ionizado puede entonces ser detenido por el campo magnético del cuerpo central y recibir momento angular por transferencia desde el cuerpo central como se describe en la sección 16.3. ".
Notas
- ^ Hannes Alfvén "Sobre la cosmogonía del Sistema Solar", en Stockholms Observatoriums Annaler (1942) Parte I Parte II Parte III
- ^ Hannes Alfvén, Sobre el origen del sistema solar . Oxford: Clarendon Press, 1954.
- ^ Hannes Alfvén, Colisión entre un gas no ionizado y un plasma magnetizado , Rev. Mod. Phys. ., vol. 32, pág. 710, 1960.
- ^ a b U.V. Fahleson, "Experimentos con plasma en movimiento a través de gas neutro", Phys. Fluidos, 4 123 (1961)
- ^ Brenning, N., Axnas, I: " Interacciones críticas de velocidad de ionización: algunos problemas sin resolver ", (1988) Astrophys. Ciencia espacial . 144 15
- ^ R. Torbert ,: " Revisión de experimentos CIV ionosféricos ", XXVII Encuentro COSPAR., (1988) Helsinki, Finlandia, artículo XIII.2. 1
- ^ a b Lai, Shu T., Una revisión de la velocidad de ionización crítica (2001) Reviews of Geophysics , Volumen 39, Número 4, p. 471-506
- ^ Lars Danielsson, " Revisión de la velocidad crítica de la interacción gas-plasma. I: observaciones experimentales ", Astrofísica y ciencia espacial (1973)
- ^ Manka, RH, et al., "Evidencia de la aceleración de los iones lunares", en Lunar Science III , C. Watkins, ed., (The Lunar Science Institute, Houston, Tx.): 504. (1972)
- ^ Hannes Alfvén, " Distribución masiva y la velocidad crítica ", Evolución del sistema solar (1976)
- ^ a b G. Haerendel: " Flujo de plasma e ionización de velocidad crítica en coma cometaria ", (1986) Geophys. Res. Lett . 13 25 5
- ^ Golbraikh, EI; Filippov, MA, Posible manifestación del fenómeno de velocidad de ionización crítica en la corona solar (1992), ESA, Estudio del sistema solar-terrestre .
- ^ Peratt, Anthony; Verschuur, Gerrit, La firma de la velocidad de ionización crítica manifestada en la estructura del perfil de emisión de hidrógeno neutro interestelar , (1992), Boletín de la Sociedad Astronómica Estadounidense , vol. 34, pág.766
- ↑ Konz, C .; Lesch, H .; Birk, GT; Wiechen, H., " El efecto de velocidad crítica como causa de la emisión de Hα de la corriente de Magallanes " (2001) en The Astrophysical Journal , volumen 548, número 1, págs. 249-252
- ^ Boeuf, JP; Chaudhury, B., " Inestabilidad rotatoria en plasmas magnetizados a baja temperatura " (2013) en Physical Review Letters , Volumen 111, 155005
- ^ Petelski, EF; Fahr, HJ; Ripken, HW; Brenning, N .; Axnas, I., Interacción mejorada del viento solar y el gas neutro interestelar en virtud de un efecto de velocidad crítica (1980)
- ^ a b Hannes Alfvén, Evolución del sistema solar (1980) " 21. Distribución masiva y la velocidad crítica "
otras referencias
- Brenning, N.
- Una comparación entre experimentos de laboratorio y espaciales sobre el efecto CIV de Alfven , en IEEE Transactions on Plasma Science (ISSN 0093-3813), vol. 20, no. 6, pág. 778-786. (1996)
- Revisión del fenómeno CIV , en Space Science Reviews (ISSN 0038-6308), vol. 59, febrero de 1992, pág. 209-314. (1992)
- Límites de la intensidad del campo magnético para la interacción de la velocidad de ionización crítica , Física de los fluidos , noviembre de 1985, volumen 28, número 11, págs. 3424–3426