PLAZMOVÁ VLÁKNA A STĚNY

separator

Na této stránce naleznete:
item      Druhy plazmových vláken
item      Konkrétní příklady
item     Porovnání pinče s hvězdou
item      Elektromagnetický kolaps
Chapter 4

separator


Druhy plazmových vláken

Pinč: Pinč neboli plazmové (proudové vlákno) patří snad k nejběžnějším útvarům v plazmatu. V nejjednodušší situaci proud teče v ose pinče (axiální směr) a kolem pinče vytváří magnetické pole (azimutální směr). Toto pole působí Lorentzovou silou na plazmové vlákno a snaží se ho smrštit. Po čase se ustaví rovnováha mezi gradientem tlaku plazmatu, který se snaží plyn rozepnout a Lorentzovou silou, která pinč komprimuje. Tato rovnováha je nestabilní a pinč tohoto typu se rychle rozpadá.

Helikální pinč: Stačí však, aby magnetické silokřivky byly zkroucené do magnetického provazce a pinč se stává relativně stabilním útvarem. Proudová hustota i magnetické pole mají axiální i azimutální složky. Axiální složka proudu generuje azimutální pole a azimutální složka proudu generuje axiální pole. V tomto případě hovoříme o tzv. helikálním (spirálovitém) pinči. Má-li pinč dostatek času, deformuje se do spirálovité struktury s nejnižší možnou energií. Proud je veden podél spirálovitě stočených, magnetických silokřivek. Tyto podélné proudy nazýváme Birkelandovy proudy. Hustota Lorentzovy síly j × B generovaná Birkelandovými proudy je nulová. Proto se tato konfigurace magnetických polí a proudů nazývá bezsilová (force free) konfigurace. Pinč s Birkelandovými proudy je nutně helikální.

Helikální pinč

Dvojspirály: Často jsou pozorovány vzájemně propletené dvojspirály proudových vláken. To je způsobeno tím, že dva spirálovité pinče se shodně orientovaným proudem se na velkých vzdálenostech přitahují (tak jako každé dva rovnoběžné vodiče protékané souhlasnými proudy). Na malých vzdálenostech dochází ale k repulsi způsobené azimutální složkou proudu. Tím je možné vytvářet energeticky vázané dvojice – dvojspirály.

Dvojspirála

Toroidální pinč: V laboratořích je významná ještě jedna konfigurace – plazma držené v toroidální geometrii v tokamacích. Jde vlastně o stočený pinč do tvaru automobilové pneumatiky. Místo axiálního pole zde bývá zvykem hovořit o poli toroidálním a místo azimutálního pole o poli poloidálním.

Proudová stěna: Kromě nejznámější válcové struktury se pinče mohou také formovat jako proudové vrstvy či pinčové stěny držené vlastním magnetickým polem. V takové stěně tekou plošné proudy, které generují přilehlé magnetické pole. Toto vlastní pole přebírá úlohu azimutálního pole u normálního pinče a brání rozšiřování stěny a jejímu rozpadu. Nejtypičtějším příkladem proudových stěn jsou polární záře. Plošné proudy zde tekou podél dipólového pole planety a jde proto o typické Birkelandovy proudy.

Plazmafokus: Plazmafokus je velmi zajímavé laboratorní plazmové zařízení. Bylo zkonstruováno poprvé koncem 50. let. Tehdy nikdo netušil, že příroda nám to samé zařízení přichystala na měsíci Io planety Jupiter... Jde o koaxiální urychlovač plazmatu – mezi dvěma válcovými elektrodami je urychlováno plazma vlastním magnetickým polem. Po opuštění elektrod vytváří plazma charakteristickou deštníkovitou strukturu, kterou stále teče proud. Tento proud generuje magnetické pole, které stlačuje plazma "rukojeti" do velmi hustého lineárního útvaru, tzv. plazmafokusu. Plazmafokus není nic jiného než velmi hustý pinč. V plazmafokusu byly uskutečněny první pokusy o termonukleární syntézu a dnes se spolu s moderními laserovými technologiemi k tomuto principu opět vracíme.

Plazmafokus

separator


Konkrétní příklady

Nejznámějšími proudovými stěnami jsou polární záře. V aurorální oblasti se vyskytují vertikální proudové stěny lokalizované cca na 70° jižní i severní světové šířky, tloušťka stěny je několik desítek kilometrů, lineární rozměry tisíce kilometrů. Stěna je orientována podél silokřivek zemského magnetického pole, které odpovídá axiální komponentě v cylindrickém pinči. Ve vrstvě probíhá výboj s proudovou hustotou ~ 30 μA/m2 generující vlastní magnetické pole se známými doprovodnými efekty jako jsou polární záře. První podrobnější průzkum pinčových stěn na Zemi provedla sonda TRIAD v roce 1976, první detekce pochází ale již z roku 1966 (navigační satelit 1963-38C). Polární záře jsou dnes dobře prozkoumanými plazmovými efekty nejen na naší Zemi. Na obrázku je fotografie polární záře na Saturnu z počátku roku 1998.

Polární záře na Saturnu

Polární záře na Saturnu. Důsledek Birkelandových proudů tekoucích v pinčové stěně v aurorální oblasti. HST, kamera STIS, 7. ledna 1998.

Téměř ihned poté, co sondy Voyager 1 a Voyager 2 vyfotografovaly činné vulkány na měsíci Io navrhl Gold (1979), že by sopečné plyny mohly být ionizovány a v jícnu sopky probíhat elektrický výboj, který je analogický výboji v koaxiálním urychlovači. Dnes již máme konkrétní údaje. Magnetické pole Jupiteru v oblasti měsíce Io má hodnotu 1 900 nT. Indukované elektromotorické napětí způsobené pohybem měsíce napříč silokřivek je 400 kV a detekovaný Birkelandův proud cca 1 MA. Uvolňovaný výkon tedy je ~0,4 TW! Je-li tento výkon rozdělen mezi několik největších vulkánů, pořád ještě zcela postačuje k udržování plazmového výboje a vytvoření plazmafokusu. Porovnejte fotografii vulkánu s tvarem proudové vrstvy laboratorního plazmafokusu.

Prometheus Prometheus

Soptící vulkán Prometheus na měsíci Io. Voyager 2, 1979. Druhý snímek je bočním pohledem na vulkán Prometheus ze sondy Galileo, 28. 6. 1997. Plazmafokus ve vesmíru?

Plazmafokus

Vláknité struktury jsou přítomné téměř ve všech mlhovinách. Svědčí o ionizaci látky a přítomnosti magnetických polí. Vlákny teče elektrický proud, který vytváří magnetické pole v okolí vlákna.

Cygnus loop

NGC 6960/95 (The Cygnus Loop). Pozůstatek výbuchu supernovy s typickou vláknitou strukturou. Stáří 15 000 let. Hubble Space Telescope 1996.

separator


Porovnání pinče s hvězdou

Pokusme se nyní formulovat základní rozdíly rovnovážné konfigurace v gravitační interakci (hvězdy) a v elektromagnetické interakci (pinče):

  • Gravitačně vázané objekty mají sférickou symetrii; elektromagneticky vázané objekty mají válcovou symetrii.
  • Gravitačně vázaný objekt nepotřebuje interakci s okolním světem; pinčem musí protékat proud, který je v laboratoři vytvářen vnějším obvodem a ve vesmíru vnějšími poli.
  • Obě konfigurace mohou mít značně rozdílné rozměry. To je dáno rozdílnou velikostí elektromagnetické a gravitační interakce. Například poměr elektrostatické a gravitační síly pro dva protony je Fe/Fg ~ 1036. Díky tomuto faktu můžeme v laboratorních podmínkách vytvářet pinče malých rozměrů (milimetry, centimetry), ve kterých sledujeme látku s parametry odpovídajícími nitru hvězd!
  • Rovnovážná konfigurace hvězdy je stabilní pro širokou škálu parametrů; rovnovážná konfigurace pinče vykazuje celou řadu nestabilit: například v místě náhodného zúžení pinče se vytvoří silnější magnetické pole (menší poloměr) a vyšší magnetický tlak pinč dále zaškrcuje, až dojde k jeho přetržení, případně rozpadu na několik částí – korálků (korálková nestabilita). V místě náhodného ohybu pinče vzniká silnější pole a tlak na vnitřní straně, proto se počáteční prohnutí bude zvětšovat. Přestože jsou pinče svou podstatou nestabilní struktury, často přetrvávají značnou dobu, zejména kombinace se střižným magnetickým polem.

separator


Elektromagnetický kolaps

Plazmové vlákno je v rovnováze, je­li Lorentzova síla vyrovnávána gradientem tlaku látky. Tato podmínka platí pro rovnovážné konfigurace zcela obecně, tedy nejen pro pinče, a plyne z ní, že při rovnováze se proudočáry a magnetické silokřivky nacházejí v plochách s konstantním tlakem. Pro válcovou symetrii odvodil poprvé podmínku rovnováhy W. H. Bennett za předpokladu konstantní proudové hustoty v pinči. V pinčích, zejména laboratorních dochází k silnému Jouleovu ohřevu procházejícím proudem. Takto vzniklé teplo by zvyšovalo tlak v pinči a zabránilo vzniku rovnováhy. Vzhledem k tomu, že pinče jsou pozorovány jako relativně stabilní útvary, musí být teplo pinče odváděno. R. S. Pease a S. Braginskij navrhli, že v rovnováze je vznik Jouleova tepla plně kompenzován radiačními ztrátami. Záření pinče je pravděpodobně nejpodstatnějším mechanismem odvodu energie z pinče, který zabrání ohřevu pinče.

R. S. Pease a S. Braginskij odvodili nezávisle na sobě v roce 1957 teoretickou možnost elektromagnetického kolapsu pinče. Průchodem proudu pinčem je ohmicky uvolňována tepelná energie zahřívající pinč. Tato energie je odnášena ven zářením. Zářivý výkon s teplotou roste. Při vysokých hodnotách proudu, a tím vysokých teplotách, je odnášeno zářením takové množství energie, že dojde k porušení rovnováhy pinče, vnější magnetický tlak převáží tlak látky a plazmové vlákno začíná kolabovat k centru. Přitom se jeho teplota nezvyšuje, naopak může i poklesnout díky prudkému odvodu energie zářením. Tento kolaps může zastavit až tlak degenerovaného plynu elektronů nebo neutronů (kvantové jevy v superhusté látce). Scénář elektromagnetického kolapsu velmi připomíná závěrečná stádia vývoje hvězd – gravitační kolaps na bílého trpaslíka či neutronovou hvězdu (včetně závěrečného ochlazení). K elektromagnetickému kolapsu by mělo dojít pro proudy větší než je hodnota IPB ~ 1 MA odvozená Peasem a Braginskim. Tato hodnota nezávisí na tvaru a velikosti pinče. Jde o univerzální konstantu složenou z jiných základních konstant (permeability vakua, Boltzmannovy konstanty, Stefanovy-Boltzmannovy konstanty, ...).

Tato teoretická předpověď je značně problematická, protože předpoklady Peaseho-Braginského odvození nejsou nikdy přesně splněny. Odvození bylo provedeno pro opticky řídké plazma zářící pouze rekombinačními procesy, byla uvažována jen normální srážková vodivost plazmatu, vedení proudu může být v extrémních podmínkách ovlivněno různými anomálními jevy, odvod energie může probíhat jinými kanály než zářením (například rychlými elektrony z chvostu Maxwellova rozdělení). Základním problémem je, že před dosažením Peaseho-Braginského proudu se pinč zpravidla rozpadá v důsledku rozvoje nestabilit nebo se dělí na více pinčů menších. Možnost elektromagnetického kolapsu tak i dnes zůstává otevřená.


separator