Bölüm 9: Plazma Devresi Kararsızlıkları
9.1 Patlayan Çift Katmanlar
Bir devrenin endüktif enerjisi, akımın ve endüktansın bir fonksiyonudur. Herhangi bir endüktif devre, örneğin bir anahtarın açılmasıyla kesintiye uğrarsa, devrenin endüktif enerjisi kesinti noktasında serbest bırakılır. Bu, bu makalenin(link) gösterdiği gibi, uygulamalı elektrik mühendisliğinde rutin olarak kullanılacak kadar iyi bilinmektedir.
Bir plazma devresinde, akım kesintisi genellikle DL'nin kararsız hale gelmesinden kaynaklanır. Bu gerçekleştiğinde, devrenin tüm endüktif enerjisi DL'de serbest bırakılır. Bu, DL'nin patlamasına neden olabilir, bu da genişleyen DL boyunca aşırı derecede büyük voltaj düşüşlerine ve olağanüstü miktarlarda enerjinin dağılmasına neden olabilir, sonuçta hızlandırılmış parçacıklar diğer maddelerle etkileşime girdikçe ısı ve radyasyon (oluşturur?). Bu davranış, sabit bir manyetik alan altında gerçekleşir. Alan patlamada hiçbir rol oynamaz.
Patlamadan sonra altta yatan akım hala mevcutsa, döngü süresiz olarak tekrarlanabilir. Bir DL oluşur, akım artar, DL patlar ve bunun sonucunda büyük miktarda radyasyon emisyonu meydana gelir, akım yeniden oluşmaya başlar ve yeni bir DL oluşur.
Bu tür davranışların alan temelli modeller kullanılarak tanımlanamayacağı açıktır. Bu karmaşıklık düzeyini yakalamak için akım tabanlı modeller esastır.
9.2 Genişleyen Devreler
Bir endüktif devreden gelen enerji, döngü akımının kendisi tarafından üretilen kuvvetler nedeniyle bir akım döngüsünün patlayıcı genişlemesiyle de serbest bırakılabilir. Eksenel bir akımın nasıl bir sıkıştırma manyetik kuvvetine neden olduğunu daha önce görmüştük. Tersi durum, eksenel bir manyetik alan oluşturan bir döngü akımıdır. Bu durumda, elde edilen I × B kuvveti radyal olarak dışa doğrudur.
Dışa doğru basınç diğer kuvvetler tarafından dengelenmezse, akım döngüsünün kendisi genişleyecektir. Metal bir iletkende, dengeleme kuvveti metal kafes yapının kendisi tarafından dahili olarak sağlanır. Bir plazmada, özellikle devredeki bir DL'nin çökmesi nedeniyle devrenin endüktif enerjisi kısa bir süre içinde serbest bırakılıyorsa, yetersiz kısıtlama olabilir.
Bu, bir akım döngüsünün Güneş yüzeyinden hızla genişlediği Güneş Koronal Kütle Ejeksiyonlarında (solar Coronal Mass Ejections) (CME) sıklıkla görüldüğü gibi, akım döngüsünün patlamasına neden olabilir. Bilinen elektriksel davranışa dayanan bu basit açıklama, manyetik kuvvet çizgilerinin “manyetik yeniden bağlanmasını” gerektiren kütleçekimi Modeli ile çelişmektedir. Manyetik kuvvet çizgileri fiziksel anlamda enlem çizgilerinden daha fazla varolmadığından, bunların nasıl "kırılabileceğini" ve "yeniden bağlanabileceğini" ve enerjiyi nasıl serbest bırakacağını görmek zordur.
9.3 Diğer Filamentli Kararsızlıklar
Filamentli akımlar, gördüğümüz gibi, bir sıkıştırma kuvvetine bağlıdır. Bununla birlikte, basit sıkıştırmanın kendisi birçok durumda kararsızdır. Sıkıştırma kuvveti artar ve bir daralmaya neden olursa, bu sıkıştırma kuvvetinde daha fazla artışa neden olur. Akım filamenti o kadar daralabilir ki, bir sosise benzer şekilde bir dizi şişkinlik ve daralma oluşabilir.
Eksenel akım yeterince güçlüyse, o zaman sıkışmalar sonunda tamamen çökebilir. Bu durumda, eksenel akım, sıkışmış bölgelerde bir halka akımına yönlendirilir ve filament hattı boyunca halka (donut) şeklindeki manyetik plazmoidler gelişir. Madde zaten filamentte yoğunlaşmışsa, bu madde bir ip üzerindeki inciler gibi alan hizalı akımın çizgisi boyunca dağıtılacaktır. Bu, uzaydaki cisimlerin birçok lineer hizalamasını açıklayabilir.
Yukarıdaki şekil, bu bölgedeki kızılötesi dalga boylarında görüldüğü gibi en büyük filament yoğunluğunun çizgileri boyunca mavi “sırt çizgileri”ne sahiptir. 27 filament parçasının incelenmesi, karakteristik filament genişliğinin, uzunluktan bağımsız olarak ~ 0.1 parsek (1/3 ışıkyılı) olduğunu göstermiştir. Yıldız oluşum alanları ve önyıldız “çekirdekleri”, bu yıldızlararası iplikçiklerde tercihen sırt çizgisi alanları boyunca yerleşmiş olarak bulundu.
Yazarlar, "eğer büyük ölçekli türbülans, filamentleri oluşturmak için makul bir mekanizma sağlıyorsa, yıldız öncesi çekirdeklerin yerçekimsel olarak kararsız filamentlerde oluşması gerçeği, yerçekiminin filamentlerin sonraki evriminde önemli bir itici güç olduğunu gösteriyor." EE yaklaşımı, uzayda gözlemlenen birçok plazma kararsızlığının Dünya'daki plazma laboratuvarlarında da yaratılabildiğini not eder, ancak bu tür mekanizmalardan söz edilmesi, hakemli bilim basınında sunulan açıklayıcı mekanizmalarda nadiren dikkate alınır.
Kararsızlığın bir başka biçimi de bükülme kararsızlığıdır (the kink instability). Bu çoğunlukla, akımın harici manyetik alanla hizalandığı Birkeland Akımlarında meydana gelir. Sıkışma daha sonra güçlü bir sarmal mod geliştirir. Etki akım silindirini alan yönüne göre dengelemektir. Bu, uygun açıdan bakıldığında akımda bir bükülme olarak görünebilir.
Plazma fizikçisi Paul Bellan, CalTech'teki yüksek lisans öğrencileriyle birlikte Güneş'te gözlemlenen güçlü fenomenleri daha iyi anlamak için plazma kararsızlıklarını araştırıyor. Plazma kararsızlığının oluşumunu içeren laboratuvar deneylerinden birinin kısa bir videosu için (16.5 mikrosaniyelik evrimi temsil eden birkaç kare) buraya bakın(link), onun ve yüksek lisans öğrencisi Anna Moser'ın "Doğa: Çok ölçekli bir istikrarsızlık zincirinden manyetik yeniden bağlantı" başlıklı son makalesinde atıfta bulunulduğu gibi.
9.4 Peratt Kararsızlıkları
Anthony Peratt'ın IEEE(IEEE DERGİLERİ AÇIKLAMASI) dergilerinde ve diğer akademik kurumlarda bildirildiği üzere son araştırması, şimdi onun adını taşıyan bir dizi çok yüksek enerjili plazma boşalmasını tanımladı. İşte(link) Peratt ve Van Der Sluijs'in temsili bir makalesi.
Peratt Kararsızlıkları, belirli formları benimseyen ve isimlerine rağmen, onları gözlemlemek için yeterince uzun süre stabil kalabilen plazma deşarj modlarıdır. Bazı açılardan, hızlı parçacık hareketlerini içerirken konumunda statik kalabilen dinamik "kararsızlıklar" olan DL'ler gibidirler.
Peratt Kararsızlıkları genellikle yığılmış plazma toroidleri ile çevrili bir sütunlu plazma deşarjı şeklini alır. Üst ve alt toroidler, fincan ve çan şekillerine dönüşebilir. Toroidlerin kenarları genellikle yukarı veya aşağı doğru bükülür. Toroidlerin sayısı üç ile dokuz arasında değişebilir ve kadehlerden merdivenlere kadar her şeye benzeyebilir. Plazmanın doğasına ve içindeki akımlara bağlı olarak çeşitli başka formlar da mevcuttur.
Peratt'ın birçok ölçekte plazma fenomeni üzerine araştırması, nispeten yakın bir tarihte yaratılan kaya sanatının, ana hatlarıyla belirtildiği gibi, karakteristik kararsızlık formları ve şekilleri ile birlikte belirli bir plazma deşarjı formunun gözlemlerinin kayıtları olabileceğini önermesine yol açtı, grafik olarak çarpıcı IEEE makalesinde(link) özetlendiği gibi, Characteristics for the Occurrence of a High-Current Z-Pinch Aurora as Recorded in Antiquity, IEEE Transactions on Plasma Science, Cilt. 31, No. 6, Aralık 2003.
Burada vurgulanması gereken nokta, bu plazma kararsızlık biçimlerinin manyetik alanlara dayalı bir analizle tahmin edilememesi, ancak hücre içi parçacık bilgisayar simülasyonlarının (particle-in-cell computer simulations) aynı sonuçları vermesidir. Plazma davranışının genellikle manyetohidrodinamik veya MHD akışkan denklemleriyle tanımlanamayacak kadar karmaşık olduğunu bir kez daha görüyoruz. Analizi parçacıkların hareketlerine, yani akıma dayalı bir çözüme dayandırmak gerekir.
Ayrıca, plazma kararsızlıkları, yıldızlar ve gezegen sistemleri ile sonuçlanan karmaşık etkileşimlerin birçoğunun yanı sıra yıldızların üzerinde ve çevresinde gözlemlenen enerjik fenomenleri açıklamada geçerli mekanizmalar olabilir.
Yorumlar
Yorum Gönder