Критична швидкість іонізації — відносна швидкість між нейтральним газом та плазмою (іонізованим газом), за якої нейтральний газ починає іонізуватися. З подальшим збільшенням енергії атоми або молекули не збільшують свою швидкість вище критичної швидкості іонізації, аж доки газ не стане майже повністю іонізованим.
Історія Це явище передбачив шведський науковець Ганнес Альвен у зв'язку зі своєю моделлю походження Сонячної системи (1942)Hannes Alfvén «On the cosmogony of the Solar System», in Stockholms Observatoriums Annaler (1942) Part I Part II Part IIIHannes Alfvén, On the Origin of the Solar System. Oxford: Clarendon Press, 1954.Hannes Alfvén, Collision between a nonionized gas and a magnetized plasma, Rev. Mod. Phys.., vol. 32, p. 710, 1960.. Згодом теорію підтвердили лабораторноU.V. Fahleson, «Experiments with plasma moving through neutral gas», Phys. Fluids, 4 123 (1961). Подальші дослідження Бреннінга та Акснеса (1988)Brenning, N., Axnas, I: «Critical ionization velocity interactions: Some unsolved problems», (1988) Astrophys. Space Sci. 144 15 показали, що плазми передає енергію від важчих іонів до електронів, завдяки чому ті набувають енергії, достатньої для іонізації. Спроби застосувати теорію в астрономії за допомогою серії експериментів дали неоднозначні результатиR. Torbert,: «Review of ionospheric CIV experiments», XXVIIth COSPAR Meet., (1988) Helsinki, Finland, paper XIII.2. 1Lai, Shu T., A review of critical ionization velocity (2001) Reviews of Geophysics, Volume 39, Issue 4, p. 471—506.
Альвен виклав міркування щодо критичної швидкості в публікації НАСА «Еволюція Сонячної системи». Розкритикувавши «неспроможність теорії однорідного диска», він зазначає: «…значно привабливішою видається альтернатива, згідно з якою вторинні тіла утворюються з речовини, що падає з „нескінченності“ (відстані, значно більшої за розміри орбіти супутника). Ця речовина (після її зупинки та набуття достатнього кутового моменту) накопичується на певних відстанях від центрального тіла. Такий процес може відбуватися тоді, коли атоми або молекули у вільному падінні досягають кінетичної енергії, що дорівнює їхній енергії іонізації. На цьому етапі газ може іонізуватися [...], далі магнітне поле центрального тіла здатне зупинити іонізований газ, передавши йому кутовий момент від центрального тіла...»
Експериментальні дослідження Королівський технологічний інститут у Стокгольмі провів перші лабораторні випробування і з'ясував, що: а) відносну швидкість між плазмою та нейтральним газом можна збільшити лише до критичної швидкості, після чого додаткова передана системі енергія витрачається на іонізацію нейтрального газу, а не на зростання відносної швидкості; б) критична швидкість практично не залежить від тиску та магнітного поля.
У 1973 році Ларс Даніельссон опублікував огляд критичної швидкості іонізації, де дійшов висновку, що існування цього явища «доведено достатньою кількістю експериментальних даних»Lars Danielsson, «Review of the Critical Velocity of Gas-Plasma Interaction. I: Experimental Observations», Astrophysics and Space Science (1973). 1976 року Альвен зазначив: «Про перше спостереження ефекту критичної швидкості в космічних умовах повідомили Манка та ін. (1972)Manka, R. H., et al., „Evidence for acceleration of lunar ions“, in Lunar Science III, C. Watkins, ed., (The Lunar Science Institute, Houston, Tx.): 504. (1972) під час досліджень Місяця. Коли відпрацьований злітний ступінь місячного модуля розбився об темний бік Місяця неподалік термінатора, утворилася газова хмара; розширюючись, вона зіткнулася із сонячним вітром, що породило надтеплові електрони»Hannes Alfvén, «Mass Distribution and the Critical Velocity», Evolution of the Solar System (1976).
У лабораторії явище критичної швидкості іонізації відоме вже давно; його спостерігають у напівтіні, яку створює установка (або плазмова гармата). Водночас його існування в космічній плазмі поки що не підтверджено.
1986 року Герхард Герендель висловив припущення, що іонізація з критичною швидкістю здатна стабілізувати потік плазми в кометній коміG. Haerendel: «Plasma flow and critical velocity ionization in cometary comae», (1986) Geophys. Res. Lett. 13 25 5. У 1992 році Гольбрайх і Філіппов обґрунтували, що критична швидкість іонізації може відігравати важливу роль у корональних викидах маси та сонячних спалахахGolbraikh, E. I.; Filippov, M. A., Possible manifestation of the critical ionization velocity phenomenon in the solar corona (1992), ESA, Study of the Solar-Terrestrial System., а того ж року Ентоні Ператт і Герріт Версхур припустили, що випромінювання міжзоряного нейтрального водню містить характерні ознаки іонізації на критичній швидкостіPeratt, Anthony; Verschuur, Gerrit, The Critical Ionization Velocity Signature Manifested in Interstellar Neutral Hydrogen Emission Profile Structure, (1992), Bulletin of the American Astronomical Society, Vol. 34, p. 766..
В огляді явища за 2001 рік Шу Лай зазначає: «…лабораторні експерименти та комп'ютерне моделювання засвідчили реальність і відносну зрозумілість критичної швидкості іонізації, хоча всі космічні експерименти з дослідження критичної швидкості іонізації дали негативні результати, за винятком, можливо, трьох випадків».
2001 року Конц та ін. розглядали вплив критичної швидкості іонізаії як можливе пояснення спостережуваного випромінювання Hα в галактичному гало поблизу країв холодних газових хмар Магелланового потокуKonz, C.; Lesch, H.; Birk, G. T.; Wiechen, H., «The Critical Velocity Effect as a Cause for the Hα Emission from the Magellanic Stream» (2001) in The Astrophysical Journal, Volume 548, Issue 1, pp. 249—252.
Розвиток теорії Типові критичні швидкості іонізації Елемент Потенціал іонізаціїVion (В) Середняатомна маса Критична швидкістьVcrit (103 м/с) Водень 13,5 1,0 50,9 Гелій 24,5 4,0 34,3 Неон 21,5 20,2 14,3 Азот 14,5 14,0 14,1 Вуглець 11,2 12,0 13,4 Кисень 13,5 16,0 12,7 Математично критична швидкість іонізації хмари нейтрального газу — тобто момент, коли хмара починає іонізуватися, — настає тоді, коли відносна кінетична енергія дорівнює енергії іонізації:
де eVion — потенціал іонізації атомів чи молекул газової хмари, m — маса, v — швидкість. Це явище також називають іонізацією за критичної швидкості або ефектом критичної швидкостіPetelski, E. F.; Fahr, H. J.; Ripken, H. W.; Brenning, N.; Axnas, I., Enhanced interaction of the solar wind and the interstellar neutral gas by virtue of a critical velocity effect (1980)..
Розглядаючи входження хмари нейтрального газу в Сонячну систему, Альвен зауважив, що під дією гравітації нейтральний атом падатиме до Сонця, а його кінетична енергія зростатиме. За хаотичного руху зіткнення підвищуватимуть температуру газу, тому на певній відстані від Сонця газ іонізується. За розрахунками Альвена, потенціал іонізації газу Vion досягається за умови:
тобто на відстані:
(де ri — відстань утвореного іона від Сонця з масою M, m''' — атомна маса, Vion вимірюється у вольтах, а k — гравітаційна стала). Після іонізації газу починають діяти електромагнітні сили; найважливішою серед них стає магнітна сила, яка зазвичай переважає гравітаційне тяжіння і спричиняє магнітне відштовхування від Сонця. Іншими словами, нейтральний газ, що падає з нескінченності до Сонця, зупиняється на відстані ri, де він накопичується й згодом може конденсуватися в планети.
Альвен виявив: якщо взяти газову хмару із середнім потенціалом іонізації 12 В та середньою атомною масою 7, то обчислена відстань ri збігається з орбітою Юпітера.
Критична швидкість іонізації водню становить 50,9 км/с, а гелію — 34,3 км/сHannes Alfvén, Evolution of the Solar System (1980) «21. Mass Distribution And The Critical Velocity».
Примітки
Посилання
Brenning, N. A comparison between laboratory and space experiments on Alfven's CIV effect, in IEEE Transactions on Plasma Science (ISSN 0093-3813), vol. 20, no. 6, p. 778—786. (1996) Brenning, N. Review of the CIV phenomenon, in Space Science Reviews (ISSN 0038-6308), vol. 59, Feb. 1992, p. 209—314. (1992) Brenning, N. Limits on the magnetic field strength for critical ionization velocity interaction, Physics of Fluids'' — November 1985—Volume 28, Issue 11, pp. 3424–3426