جریان پلاسمای خورشید

پلاسما گازی ست که از یون هایی که آزادانه شناورند تشکیل شده اند. پلاسما جریانات الکتریکی را هدایت می کند (رساناست) و به وسیله ویلیام کروکس در سال ۱۸۷۹ کشف شد. انواع بسیار مختلفی از پلاسما وجود دارد. پلاسما در ستارگان (شامل خورشید) وجود دارد و باد خورشیدی در منظومه شمسی ما از پلاسما ساخته شده.

دانشمندان پلاسما را حالت چهارم ماده می دانند، یعنی مایع، جامد، گاز و پلاسما. این ماده با ماهیت محیط یونیزه ، ترکیبی از یونهای مثبت و الکترون با غلظت معین می‌باشد که مقدار الکترونها و یونهای مثبت در یک محیط پلاسما تقریبا برابر است و حالت پلاسمای مواد ، تقریبا حالت شبه خنثایی دارد. پدیده‌های طبیعی زیادی از جمله آتش ، خورشید ، ستارگان و غیره در رده حالت پلاسمایی ماده قرار می‌گیرند. پلاسما شبیه به گاز است، ولی مرکب از ذرات باردار متحرکی به نام یون است. یونها بشدت تحت تاثیر نیروهای الکتریکی و مغناطیسی قرار می‌گیرند. مواد طبیعی در حالت پلاسما عبارتند از انواع شعله ، بخش خارجی جو زمین ، اتمسفر ستارگان ، بسیاری از مواد موجود در فضای سحابی و بخشی از دم ستاره دنباله‌دار و شفقهای قطبی شمالی. نمایش خیره کننده از حالت پلاسمایی ماده است که در میدان مغناطیسی جریان می‌یابد. بد نیست بدانید که دانش امروزی حالات دیگری از جمله برهمکنش ضعیف و قوی هسته‌ای را نیز در دسته‌بندیها بعنوان حالات پنجم و ششم ماده بحساب می‌آورد که از این حالات در توجیه خواص نکلئونهای هسته ، نیروهای هسته‌ای ، واکنش های هسته‌ای و در کل فیزیک ذرات بنیادی استفاده می‌شود.

● ساختار پلاسما :

عموما پلاسما را مجموعه‌ای از یونها ، الکترونها و اتمهای خنثی جدا از هم و تقریبا در حال تعادل مکانیکی ـ الکتریکی می‌گویند. حالتهای خاصی را در مقابل مغناطیس نشان می‌دهد. این رفتارها کاملا برعکس رفتار گازها در مقابل میدان مغناطیسی است. زیرا گازها به سبب خنثی بودنشان از لحاظ بار الکتریکی توانایی عکس ‌العمل در مقابل مغناطیس و میدان وابسته به آن را ندارند. در کنار این رفتار پلاسما می‌تواند تحت تاثیر میدان مغناطیسی درونی که از حرکت یونهای داخلی به عمل می‌آید قرار گیرد. همچنین پلاسما بعلت رفتار جمعیتی که از خود نشان می‌دهد، گرایشی به متاثر شدن در اثر عوامل خارجی ندارد. و اغلب طوری رفتار می‌کند که گویی دارای رفتار مخصوص به خودش است. معیار دیگر برای پلاسما آن است که فراوانی بارهای مثبت و منفی باید چندان زیاد نباشد که هر گونه عدم توازن موضعی بین غلظت‌های این بارها غیر ممکن باشد. مثلا بار مثبت به سرعت بارهای منفی را به سوی خود می‌کشد تا توازن بار از نوع برقرار سازد. بنابراین اگرچه پلاسما به مقدار زیادی بار آزاد دارد، ولی از لحاظ بار الکتریکی خنثی است. ماده در حالت پلاسما نسبت به حالتهای جامد ، مایع و گاز نظم کمتری دارد. با این حال خنثی بودن الکتریکی پلاسما بطور متوسط انرژی از نظم را نشان می‌دهد. اگر پلاسما تا دمای زیاد حرارت داده شود، نظم موجود در پلاسما از بین می‌رود و ماده به توده درهم و برهم و کاملا نامنظم ذرات منفرد تبدیل می‌شود. بنابراین پلاسما گاهی نظیر سیارات ، رفتاری جمعی و گاهی نظیر ذرات منفرد ، بصورت کاملا تکی عمل می‌کند. بدلیل همین رفتارهای عجیب و غریب است که غالبا پلاسما در کنار گازها و مایعات و جامدات ، چهارمین حالت ماده معرفی می‌شود. بنابراین با توجه به اینکه چگالی پلاسما قابل توجه می‌باشد. مدولانک در تک ذرات منفرد به مشکلات رفتار پلاسما افزوده می‌شود.

● ضرورت بررسی پلاسمای طبیعی :

با وجود این پیچیدگی‌ها با عنایت به اینکه ۹۹ درصد ماده موجود در طبیعت و جهان در حالت پلاسما است. علاقمندی ما به پلاسما جدا از بسیاری کاربردها نظیر تولید انرژی، عدسی پلاسمایی برای کانونش انرژی و ... معتدل می‌باشد، چرا که از ترک زمین ، با انواع پلاسماها مانند «یونسفر ، کمربندها و بادهای خورشیدی) مواجه می‌شویم. بنابراین فیزیک پلاسما نیز در کنار سایر شاخه‌های علوم فیزیکی ، در شناخت محیط زندگی ما در قالب رشته ژئوفیزیک از یک اهمیت زیادی برخوردار است.

● انواع پلاسما

▪ پلاسمای جو: نزدیکترین پلاسما به ما «کره زمین) ، یونوسفر (Ionosphere) می‌باشد که از صد و پنجاه کیلومتری سطح زمین شروع و به طرف بالا ادامه می‌یابد. لایه‌های بالاتر یونسفر ، فیزیک سیستمها به فرم پلاسما می باشند که توسط تابش موج کوتاه در حوزه وسیعی ، از طیف اشعه فرابنفش گرفته تا پرتوهای ایکس و همچنین بوسیله پرتوهای کیهانی و الکترونهایی که به گلنونسفر اصابت می‌کنند یونیزه می‌شوند.

▪ شفق قطبی: پدیده شفق نیز نوعی پلاسما است که تحت اثر یونیزاسیون ایجاد می‌شود. یونسفر پلاسمایی با جذب پرتوهای ایکس ، فرابنفش ، تابش خورشیدی ، انعکاس امواج کوتاه و رادیویی اهمیت اساسی در ارتباط رادیویی در سرتاسر جهان دارد. با همه این احوال نه تنها زمین بلکه زهر و مریخ نیز فضایی یونسفری دارند. ملاحظات نظری نشان می‌دهد که در سایر سیاره‌های منظومه شمسی نظیر مشتری ، زحل ، اورانوس ، نپتون نیز باید یونسفرهای قابل مشاهده وجود داشته باشد.

فضای بین سیاره‌ای نیز از پلاسمای بین سیاره‌ای در حال انبساط پر شده که محتوای یک میدان مغناطیسی ضعیف (حدود ۵ به توان ۱۰- تسلا) است.

هسته‌های ستارگان دنباله دار نیز به فضای بین پلاسمایی پرتاب می‌کند.

از طرف دیگر ، خورشید منظومه شمسی مانند یک کره پلاسمایی است. درخشندگی شدید خورشید ، معمولا عین یک درخشندگی پلاسمایی می‌باشد. خورشید به سه قشر گازی فتوسفر ـ کروموسفر و کورونا (که کرونای آن بیش از یک میلیون درجه ، حرارت دارد) احاطه شده است و انتظار می‌رود که هزارها سال به درخشندگی خود ادامه بدهد.

▪ کاربرد پلاسمای یونسفر : یونوسفر زمین در ارتباطات رادیویی اهمیت زیادی دارد. توضیح این نکته لازم است که یونوسفر ، امواج رادیویی با فرکانسهای بیش از ۳۰ مگاهرتز (بین امواج رادار و تلویزیون) را عبور می‌دهد. ولی امواج با فرکانسهای کمتر (کوتاه ، متوسط و بلندرادیویی) را منعکس می کند. همچنین شایان ذکر است که ضخامت یونسفر زمین که از چند لایه منعکس کننده تشکیل شده است با عواملی نظیر شب و روز آشفتگی پلاسمایی سطح خورشید در ارتباط نزدیک می‌باشد.

▪ بادهای خورشیدی : خورشید منظومه شمسی منبع نیرومندی از جریان مداوم پلاسما به صورت باد خورشیدی است. باد خورشیدی اصطلاحی برای ذرات تشعشع یافته نظیر بادهایی در حدود ۱۰۰ هزار درجه کلوین است. باد خورشیدی پدیده پیچیده‌ای است که سرعت و چگالی آن متغیر می‌باشد. متغیر بودن پلاسمای بادی به فعالیت خورشید بستگی دارد. گفتنی است که به دلیل ۱۰۰ برابر بودن انرژی جنبشی پلاسما نسبت به انرژی مغناطیسی‌اش ، اصطلاح باد مغناطیسی به آن داده‌اند.

● حالات ماده از جامد تا پلاسما

مایعات و گازها شاره هستند، یعنی جریان می‌یابند. این اجسام شکل معینی ندارند و شکل ظرفی را که در آن قرار دارند به خود می‌گیرند، در حالی که مقدار معینی دارند. مثلا مقدار آب ، دی اکسید کربن ، هوا ، شیر و غیره جرم قابل اندازه گیری و معینی دارند، اما نمی‌توانند همانند جامدات با اعمال نیروی پس زنی کشانی ، در مقابل تغییر شکل ، مقاومت کنند.

اندیشه اولیه تئوری مولکولی مربوط به رابرت براوان بوده و بر پایه عقاید خود چندین نوع آزمایشات را انجام داد از جمله در یک لیوان شیشه‌ای پر از آب یک قطره جوهر ریخته و حرکت جوهر را بررسی کرد. این حرکت نامنظم و زیگ زاگ و در هم و بر هم مولکولی را حرکت براونی گویند. ولی اینها تمام حالات ماده نیستند. اشکال ماده بطور کلی عبارتند از: جامد ، مایع ، گاز ، پلاسما و ماده چگال بوز - انیشتین و حالت تازه کشف شده یعنی ماده چگال فرمیونی.

● مواد جامد

مواد جامد در برابر تغییر شکل مقاومت می‌کنند و آنها سفت و شکننده هستند.

برای درک چگونگی این موضوع می‌توان جامدات را اینگونه تعریف کنیم:

در حالت جامد ، نیروهای بین مولکولی ، به قدری قویتر از انرژی جنبشی هستند که باعث سخت شدن جسم در نتیجه عدم جاری شدن آن می‌گردند. جامدات شکل و حجم معینی دارند. در جامدات فاصله مولکولها مانند فاصله آنها در مایع است. جامدات نمی‌توانند مانند وضعیتی که حالات مایع و گاز دارند، آزادانه به اطراف حرکت کنند. بلکه ، در جامد ، مولکولها در مکانهای خاصی قرار می‌گیرند و فقط می‌توانند در اطراف این مکانها حرکت نوسانی رفت و برگشتی بسیار کوچک انجام دهند. این حرکت نوسانی ، بخصوص در جامدات بلورین ، کاربردهای صنعتی و علمی زیادی را برای این دسته از مواد به دنبال دارد.

▪ جامدات بلورین: وقتی مایع به آرامی سرد شود مولکولهای مایع فرصت پیدا می‌کنند که شکل منظم و ثابتی به خود بگیرند، مثل فلزات.

▪ جامدات بی شکل: وقتی مایعی به سرعت سرد شود مولکولهای مایع دیگر فرصت ندارند که شکل منظم و ثابتی به خود بگیرند،مانند: چوب ، پنبه، عاج، شیشه.

● مواد مایع

در حالت مایع ، مولکولها به هم نزدیکتر بوده ، بطوری که نیروهای مابین آنها قویتر از انرژی جنبشی آنان می‌باشد. از طرف دیگر ، نیروها آنقدر قوی نیستند که قادر به ممانعت از حرکت مولکولها گردند. از این روست که جریان مایع از ظرفی به ظرف دیگر شدنی است، اما نسبت سرعت جاری شدن آب در مقایسه با مایعات دیگر از قبیل روغنها و گلسیرین بسیار متفاوت است که این تفاوت در سرعت جاری شدن ، میزان مقاومت یک مایع در مقابل جاری شدن ، یعنی ویسکوزیته آن خوانده می‌شود که خود تابعی از شکل ، اندازه مولکولی ، درجه حرارت و فشار می‌باشد. بنابراین مایعات حجم معین و شکل نامعینی دارند. فاصله مولکولها در مایعات در مقایسه با گازها بسیار کم است. در مایعات مولکولها به اطراف خود حرکت می‌کنند و به سهولت روی هم می‌لغزند و راحت جریان (شارش) پیدا می‌کنند. مواد مایع با قابلیت شکل پذیری و جریان یافتن در شبکه‌های ریز ، کاربردهای زیادی در صنعت پیدا کرده‌اند.

● گاز

بطور کلی می‌توان گازها را اینگونه تعریف کرد؛ گاز ها کم چگالند و ساده متراکم می‌شوند و نه تنها شکل ظرف خود را می‌گیرند، بلکه آنقدر منبسط می‌شوند تا ظرف را کاملا پر کنند. اما اگر بخواهیم گازها را بهتر بشناسیم می‌توانیم بگوییم که؛ حالت فیزیکی مواد در شرایط فشار و درجه حرارت طبیعی ، بستگی به اندازه مولکولی و نیروهای فی‌مابین آن دارد. اگر مقدار کمی از یک گاز ، در یک تانک نسبتا بزرگی قرار گیرد، مولکولهای آن با سرعت در سرتاسر تانک پخش می‌شوند. پخش سریع مولکولهای گاز دلالت بر آن میکند که نیروهای موجود فیمابین مولکولها ، بمراتب ضعیفتر از انرژی جنبشی آن است و از آنجایی که ممکن است مقدار کمی از یک گاز در سرتاسر تانک یافت شود، نشان دهنده آن است که مولکولهای گاز باید نسبتا از هم فاصله گرفته باشند. بنابراین گازها شکل و حجمشان بستگی به ظرفی دارد که در آن جای دارند.

در حالت گازی ، مولکولها آزادانه به اطراف حرکت کرده و با یکدیگر و نیز با دیواره ظرف برخورد می‌کنند. فاصله مولکولها در حالت گازی در حدود چند ده برابر فاصله آنها در حالت مایع و جامد است. اگر در یک ظرف نوشابه پلاستیکی را بسته و آنرا متراکم کنید و سپس آنرا با آب پر کرده و دوباره سعی کنید که آنرا متراکم کنید، در حالت اول به علت فاصله زیاد بین مولکولی در گاز ، متراکم کردن سنگینتر و سختتر صورت می‌گیرد، در صورتی که در حالت دوم چنین نیست.

● پلاسما

حالت چهارم ماده پلاسما شبیه گاز است و از اتمهایی تشکیل شده است که تمام یا تعدادی از الکترونهای خود را از دست داده‌اند (یونیده شده‌اند). بیشتر مواد جهان در حالت پلاسما هستند مانند خورشید که از پلاسما تشکیل شده است. پلاسما اغلب بسیار گرم است و می‌توان آن را در میدان مغناطیسی به دام انداخت. اما در تعریفی کلی از پلاسما باید گفت که؛ پلاسما حالت چهارمی از ماده است که دانش امروزی نتوانسته آنها را جزو سه حالت دیگر پندارد و مجبور شده آنرا حالت مستقلی به حساب آورد. این ماده با ماهیت محیط یونیزه ، ترکیبی از یونهای مثبت و الکترون با غلظت معین می‌باشد که مقدار الکترونها و یونهای مثبت در یک محیط پلاسما تقریبا برابر است و حالت پلاسمای مواد ، تقریبا حالت شبه خنثایی دارد. پدیده‌های طبیعی زیادی از جمله آتش ، خورشید ، ستارگان و غیره در رده حالت پلاسمایی ماده قرار می‌گیرند.

پلاسما شبیه به گاز است، ولی مرکب از ذرات باردار متحرکی به نام یون است. یونها به شدت تحت تأثیر نیروهای الکتریکی و مغناطیسی قرار می‌گیرند. مواد طبیعی در حالت پلاسما عبارتند از انواع شعله ، بخش خارجی جو زمین ، اتمسفر ستارگان ، بسیاری از مواد موجود در فضای سحابی و بخشی از دم ستاره دنباله‌دار و شفقهای قطبی شمالی که نمایش خیره کننده‌ای از حالت پلاسمایی ماده است که در میدان مغناطیسی جریان می‌یابد.

بد نیست بدانید که دانش امروزی حالات دیگری از جمله برهمکنش ضعیف و قوی هسته‌ای را نیز در دسته‌بندیها به عنوان حالات پنجم و ششم ماده بحساب می‌آورد که از این حالات در توجیه خواص نوکلئونهای هسته ، نیروهای هسته‌ای ، واکنشهای هسته‌ای و در کل فیزیک ذرات بنیادی استفاده می‌شود.