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Velocidad crítica de ionización

Experimento de velocidad crítica de ionización a bordo del transbordador espacial Discovery ( STS-39 ), que libera una columna de gas de óxido nitroso . Texto completo La veloci...

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Experimento de velocidad crítica de ionización a bordo del transbordador espacial Discovery ( STS-39 ), que libera una columna de gas de óxido nitroso . Texto completo

La velocidad crítica de ionización (CIV), o velocidad crítica (CV), es la velocidad relativa entre un gas neutro y un 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 superará la velocidad crítica de ionización 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 conocía ningún mecanismo 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 inestabilidad del plasma híbrido inferior está involucrada en la transferencia de energía de los iones más grandes a los electrones para que tengan energía suficiente para ionizarse. La aplicación de la teoría a la astronomía a través de una serie de experimentos ha producido resultados mixtos. [6] [7]

Investigación experimental

El Instituto Real 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 hasta la velocidad crítica, pero luego la energía adicional introducida en el sistema se destinaba a ionizar el gas neutro, en lugar de aumentar la velocidad relativa, (b) la velocidad crítica es aproximadamente independiente de la presión y del campo magnético. [4]

En 1973, Lars Danielsson publicó una revisión de la velocidad crítica de ionización y concluyó que la existencia del fenómeno "está probada por evidencia experimental suficiente". [8] En 1976, Alfvén informó que "la primera observación del efecto de la velocidad crítica en condiciones cósmicas fue reportada por Manka et al. (1972) [9] desde la Luna. Cuando un módulo de excursión lunar abandonado [391] impactó en el lado oscuro de la Luna no muy lejos del terminador, se produjo una nube de gas que, cuando se expandió de modo que fue golpeada por el viento solar, dio lugar a electrones supertérmicos". [10]

En el laboratorio, la velocidad crítica de ionización se reconoce desde hace tiempo y se observa en la penumbra producida por un dispositivo de enfoque de plasma denso (o cañón de plasma). Su existencia en plasmas cósmicos no ha sido confirmada.

En 1986, Gerhard Haerendel, sugirió que la ionización a velocidad crítica puede estabilizar el flujo de plasma en una coma cometaria. [11] En 1992, E. Golbraikh y M. Filippov argumentaron que la velocidad crítica de ionización 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 de hidrógeno neutro interestelar llevaban la firma de la ionización a 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 comprensible, aunque todos los experimentos de 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 Hα observada [...] en el halo galáctico cerca de los bordes de las nubes de gas frío de la Corriente de Magallanes" [14].

Desarrollo de la teoría

Matemáticamente, la velocidad crítica de ionización 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:

1 2 metro en 2 = mi V i o norte {\displaystyle {\frac {1}{2}}mv^{2}=eV_{ión}}

donde eV ion 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 por velocidad crítica , [11] y también efecto de velocidad crítica , [15] .

Alfvén consideró una nube de gas neutro que entra en el Sistema Solar y observó 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, el ion V , se produce cuando:

mi V i o norte = mi gramo = a METRO metro a {\displaystyle eV_{ión}=E_{g}={\frac {kMm}{r}}}

es decir, a una distancia de:

a i = mi gramo = a METRO metro mi V i o norte = 6.9 ⋅ 10 − 20 M m ′ V i o n = 13.5 ⋅ 10 13 m ′ V i o n c m {\displaystyle r_{i}=E_{g}={\frac {kMm}{eV_{ion}}}=6.9\cdot 10^{-20}M{\frac {m'}{V_{ion}}}=13.5\cdot 10^{13}{\frac {m'}{V_{ion}}}cm}

(donde r i es la distancia del ion al Sol de masa M , m' es el peso del átomo, V ion está en voltios, k es la constante gravitacional). Luego, cuando el gas se ioniza, entran en acción 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 desde el 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 tomando una nube de gas con un voltaje de ionización promedio de 12 V y un peso atómico promedio de 7, la distancia r i coincide con la órbita de Júpiter.

La velocidad crítica de ionización del hidrógeno es de 50,9 x 10 5  cm/s (50,9 km/s) y la del helio es de 34,3 x 10  5 cm/s (34,3 km/s). [16]

Fondo

Alfvén analiza sus ideas sobre la velocidad crítica en su publicación de la NASA Evolution of the Solar System. [16] 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 materia que cae desde el "infinito" (una distancia grande en comparación con la órbita del satélite). Esta materia (después de ser detenida y dada suficiente momento angular) se acumula a distancias específicas del cuerpo central. Tal 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 analizado 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

  1. ^ Hannes Alfvén "Sobre la cosmogonía del sistema solar", en Observatorios Annaler de Estocolmo (1942) Parte I Parte II Parte III
  2. ^ Hannes Alfvén, El origen del sistema solar . Oxford: Clarendon Press, 1954.
  3. ^ Hannes Alfvén, Colisión entre un gas no ionizado y un plasma magnetizado, Rev. Mod. Phys. ., vol. 32, pág. 710, 1960.
  4. ^ ab UV Fahleson, "Experimentos con plasma en movimiento a través de gas neutro", Phys. Fluids, 4 123 (1961)
  5. ^ Brenning, N., Axnas, I: "Interacciones de velocidad de ionización crítica: algunos problemas sin resolver", (1988) Astrophys. Space Sci . 144 15
  6. ^ R. Torbert,: "Revisión de los experimentos CIV ionosféricos", XXVII Reunión COSPAR, (1988) Helsinki, Finlandia, artículo XIII.2.1
  7. ^ ab Lai, Shu T., Una revisión de la velocidad crítica de ionización (2001) Reviews of Geophysics , Volumen 39, Número 4, pág. 471-506
  8. ^ Lars Danielsson, "Revisión de la velocidad crítica de la interacción gas-plasma. I: Observaciones experimentales", Astrofísica y ciencia espacial (1973)
  9. ^ Manka, RH, et al., "Evidencia de aceleración de iones lunares", en Lunar Science III , C. Watkins, ed., (The Lunar Science Institute, Houston, Tx.): 504. (1972)
  10. ^ Hannes Alfvén, "Distribución de masa y velocidad crítica", Evolución del sistema solar (1976)
  11. ^ ab G. Haerendel: "Flujo de plasma e ionización a velocidad crítica en comas cometarios", (1986) Geophys. Res. Lett . 13 25 5
  12. ^ Golbraikh, EI; Filippov, MA, Posible manifestación del fenómeno de velocidad crítica de ionización en la corona solar (1992), ESA, Estudio del sistema solar-terrestre .
  13. ^ Peratt, Anthony; Verschuur, Gerrit, La firma de velocidad de ionización crítica manifestada en la estructura del perfil de emisión de hidrógeno neutro interestelar, (1992), Boletín de la Sociedad Astronómica Americana , Vol. 34, p.766
  14. ^ Konz, C.; Lesch, H.; Birk, GT; Wiechen, H., "El efecto de la 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
  15. ^ 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)
  16. ^ de Hannes Alfvén, Evolución del sistema solar (1980) "21. Distribución de masa y velocidad crítica"

Otras referencias

  • Acosta, Y .
    • 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, p. 778-786. (1996)
    • Reseña del fenómeno CIV, en Space Science Reviews (ISSN 0038-6308), vol. 59, feb. 1992, págs. 209-314. (1992)
    • Límites de la intensidad del campo magnético para la interacción de la velocidad de ionización crítica, Física de fluidos – noviembre de 1985—volumen 28, número 11, págs. 3424–3426
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