۷٫۱ جریانهای بیرکلند

برای رشته ای شدن جریانها در پلاسما دلیل دیگری نیز  وجود دارد. این علت ، بخاطر وجود نیروی جاذبه بین هر دو تا از جریان های موازی است. هر یک ازجریان ها ، میدان مغناطیسی تولید می کند که جریان اولی را احاطه می کند و طبق قوانین طبیعی الکترومغناطیس ،جریان دیگر توسط آن میدان مغناطیسی جذب می شود. در نتیجه این دو جریان به طرف هم کشیده شده و جذب هم می شوند.

همچنین این اثر در تک شاره های اکترونی و در سیم های حامل جریان هم وجود دارد. بنا براین ، در پلاسما ، یک جریان انتشار یافته وسیع به متمرکز شدن در یک رشته تمایل دارد، که در مشاهدات هم همین طور است. بطور مشابه، یک پهنه ای از جریان هم تمایل به یکی شدن در قالب تک رشته های جداگانه دارد. همان طور که پهنه ای از آب که در حال سقوط است ، به قطرات جدا جدا تقسیم می شود .

پهنه هایی از جریان به هم بافته شده که به آرامی تابش فروسرخ و نور مرئی دارند. در امتداد حلقه ی ماکیان از سحابی Veil.

اعتبار عکس: W. P. Blair, R. Sankrit (Johns Hopkins University / NASA

اگر دو رشته موازی در مجاورت هم وجود داشته باشند ، یا اینکه این دو رشته، از پهنه ی جریانی که روند رشته ای شدن را طی کرده، شکل گرفته باشند ، یک دیگر را جذب خواهند کرد و ابتدا تحت جاذبه مغناطیسی توضیح داده شده در قانون بیوساوار به سمت یکدیگر حرکت می کنند. بنابراین تمایلی برای جریان های استوانه ای وجود دارد که به صورت دوتا دوتا و جفتی ایجاد شوند.

رسیدن به نقطه تعادل زمانی اتفاق می افتد که نیروی جاذبه بلند برد با نیروی دافعه ی کوتاه بردتر بین دو مولفه ی دورانی زاویه ای نا موازی، به تعادل می رسند. تجزیه و تحلیل ها نشان می دهد که یک انحراف در مراکز نیروی جاذبه ای وجود دارد که دو جریان را جفت می کند ، و یا باعث نیرویی چرخشی می شود، که بر روی هرکدام از جریان ها اثر می کند. بنابراین زوج جریان ها تمایل دارند که به طور مارپیچ دور یک محور مشترک بپیچند. مانند قبل، محور مارپیچ تمایل خواهد داشت که با میدان مغناطیسی کلی موازی باشد.

این نوع از زوج جریانها، به اسم فیزیکدان نروژی کریستین بیرکلند، که در اوایل قرن ۲۰ برروی آنها مطالعه کرده بود، جریانهای بیرکلند نام گذاری شد.

۷٫۲ ریسمان های مغناطیسی

بر اثر مارپیچی شدن جریان ها اطراف یکدیگر، شکل ریسمان های پیچ خورده را به وجود می آورند. چون جریانها با میدان مغناطیسی هم ترازند ، معمولا به جریانهای بیرکلند “ریسمان های مغناطیسی” یا “لوله های شارش” می گویند. اگرچه این توصیف نادقیق نیست ، اما این تعریف تمایل به پنهان کردن اثرات میدان الکتریکی دارد و باعث تغییر ماهیتِ مفهوم حمل جریان در رشته ها می شود و اشاره بر این دارد که که نیروی مغناطیسی تنها عاملی است که در این برهمکنش ها وجود دارد. اما همانطور که می دانیم میدان مغناطیسی و الکتریکی با هم وجود دارند، پس این ادعا درست نیست.

وابستگی معکوس فاصله در قانون نیروی بیوساوار در بین رشته های هدایت کننده جریان، به طور جالبی، رشته ها را به سمت جفت شدن هدایت می کند. این عکس ۳ جریان رشته ای شبیه سازی شده کامپیوتری در  یک PIC(Particle-in-Cell) (ذرات در سلول) را نشان می دهد، که فقط دو تا از آنها  با هم برهمکنش قوی دارند ، در حالی که سومی در سکون است. وقتی تعداد زیادی رشته در پلاسما با میدان مغناطیسی قابل توجهی موجود باشند به طور مستقیم به “دوگانه” و “دو تایی” شدن هدایت می شوند.

اعتبار: اقتباس از شکل ۳٫۲۱، فیزیک از جهان پلاسما، Peratt، Springer Verlag، ۱۹۹۲

سیر تکاملی زبانه ی خورشیدیِ تابش کننده اشعه ایکس بر روی خورشید. عکس بالایی: شبیه سازی خطوط میدان مغناطیسی (خطوط رنگی) با قطب های آنها که با رنگ خکستری نشان داده شده اند ( تیره = منفی ، روشن= مثبت ) عکس وسطی: شبیه سازی حرکت جریان همزمان با تغییرات در میدان مغناطیسی فوق (تیره= شدیدتر) عکس پایینی:  مشاهدات سال ۲۰۰۷ تلسکوپ اشعه ی ایکس Hinode از ویژگی فورانی تکرار شونده که در ارتباط با یک الگوی جریان الکتریکی جفتی- J شکل (حلقوی)

عکس ۶ از “شکل گیری ریسمان شارشی حلقه ای ناپایدار و جریان های الکتریکی در حلقه های پیچشی (حلقوی)”  Aulanier، Török، Démoulin & DeLuca، مجله اختر فیزیک ۷۰۸:۳۱۳-۳۳۳ ،  ۲۰۱۰ Jan 1.

همچنین جریانهای بیرکلند می توانند موادِ نواحی مجاور را جذب کنند.  این به خاطر آن است که میدان های مغناطیسی سَمتی، که به وسیله هر یک از جریان های محوری ایجاد می شوند یک نقطه کاهش فشار شعاعی داخلی با مینیمم فشار بین دو جریان ایجاد می کنند ، در حالی که میدان مغناطیسی تولید شده خارج از خود ریسمان جریان، گسترش می یابد. این باعث میشود مواد باردار و اجزای یونیزه شده که خارج از ریسمان جریان وجود دارند به سمت مرکز نوار جریان جذب شوند، که به این فرآیند همرفت Marklund  می گویند.

اگرچه این اثر، مشابه نیروی IxB از یک تک استوانه ی جریان است، مینیمم فشار مغناطیسی بین زوج جریانها میتواند مکانیسم کارآمدتری برای ایجاد تمرکز در مواد باشد.

غلظت پلاسما خارج از جریان بیرکلند کاهش می یابد، در حالی که غلظت داخل ریسمان در حال بیشتر شدن است. بنابراین ،گاهی اوقات جریان بیرکلند در تغییرات در پراکندگی غلظت پلاسما تاثیر دارد .

۷٫۳ اثرات آشکار جریانها در فضا

رشته جریاهای به هم تنیده شده در سحابی مارپیچ دوگانه (Helix) در نزدیکی مرکز راه شیری-درنورفروسرخ.

اعتبار عکس: NASA/JPL- CalTech/UCLA

ساختار رشته ای مشابه مدل بیان شده در قسمت قبل ، در فضا بسیار شایع است، مثل: رشته های شفقی ، ریسمان های شارشی زهره، برجستگی های خورشیدی و جریانات تاج خورشیدی ، دم ستاره ی دنباله دار و سحابی میان ستاره ای که در آن بافت رشته ای اغلب دیده می شود. ساختار های رشته ای خنثای هیدروژنی که قبلا هم ذکر شد (جریان همرفت مارکلاند Marklund در ۶٫۱۲ بالا)   همچنین ساختار های رشته ای در آرایشی از خوشه های کهکشانی نیز مشاهده شده است.

۷٫۴ لایه های دوگانه حامل جریان

تا الان دیدیم که لایه های دوگانه میتوانند در لوله های دشارژ ملتهب در آزمایشگاه تشکیل شوند. بدیهی است که این لایه های دوگانه (DL ها) اجازه انتقال جریان از طریق خود، و بعلاوه توانایی شتاب دادن به یونها و الکترونها در میدان الکتریکی قوی داخل DL  را نیز دارند. برای تشخیص  دادن آنها از CFDLها، به آنها لایه های دوگانه حامل جریان (CCDL) می گویند. یک CCDL با روش متفاوتی از یک CFDL تشکیل می شود. معمولا تشکیل آن به وسیله نوعی ناپایداری و یا تغییر در جریان جاری آغاز می شود.

به عنوان مثالی برای نوع “تغییر در جریان” ،که باعث شکل گیری CCDL می شود، اتفاقی را که در زمان عبور جریان به ناحیه ای که چگالی پلاسما کمتر است را در نظر بگیرید. جریان اساسا به وسیله الکترونهای سبکتر حمل می شود و میتوانیم در وهله اول این وضعیت را مربوط به یونها در نظر بگیریم.

اگر جریان الکترونی تغییر نکند، آنگاه ناحیه کم غلظت تر به علت “جاری شدن” جریان (الکترونهای) وارد شده، به سرعت الکترون اضافی بدست خواهد آورد. این اتفاق منجر به یک اختلاف پتانسیل در مناطق با چگالی کمتر می شود و در تنیجه الکترونهای بیشتری دفع و جریان جاری نیز مختل خواهد شد.

به یاد داشته باشید که جریان، با ترکیب سرعت و چگالی الکترون متناسب است و تنها راه کم کردن غلظت الکترون ها، برای رسیدن به مرحله مناسب، در حالی که کل جریان بر قرار باشد، افزایش سرعت الکترونها می باشد.

روندی که این خواسته را ایجاد می کند ، تشکیل یک CCDL در مرز ناحیه کم تراکم تر می باشد که الکترونها را به آن ناحیه شتاب  بدهد. قدرت DL تا زمانی افزایش خواهد یافت که دقیقا سرعت لازمه ی الکترون ها را برای کم کردن غلظت آن ها فراهم کند ،تا چگالی الکترون ها با یونهای با چگالی کمتر برابر شود و پلاسما درحالت خنثی (بدون بار خالص) باقی بماند .

مطمئنا DL روی یونها هم تاثیر می گذارد ولی تاثیر کلی آن شبیه همان چیزی است که گفته شد. همچنین الکترونهای پر سرعت تر باعث به وجود آمدن یونش های اضافی میشود که نیاز به سرعت بیشتر برای الکترون ها را تغییر می دهد.اما هم چنان ضروری است که یک DL تشکیل شود و شتاب لازم را تامین کند.

۷٫۵ ناپایداری در جریان و CCDLها

CCDLها همچنین می توانند در نتیجه ی ناپایداری جریانی در یونها و الکترونهای تشکیل دهنده جریان، که در خلاف جهت هم حرکت می کنند ایجاد شوند.

مدل های مختلفی از ناپایداری میتواند رخ دهد. یک نمونه ناپایداریِ Buneman یا ناپایداری دو جریانی می باشد. زمانی که سرعت جاری شدن الکترونها (بطور کلی چگالی جریان تقسیم بر چگالی الکترون) بیشتر از سرعت حرارتی الکترون های پلاسما باشد. به عبارت دیگر سرعت رانش حاصله از جریان الکریکی، بیشتر از سرعت تصادفی حرکتی گرمایی است.

مکانیسم واقعی ناپایداری Buneman پیچیده است. اگر چه ، در اصل، چگالی یونها و الکترونها در پلاسما در بازه های مکانی کوچک نسبت به کل پلاسما همواره از حالت خنثای مطلق در حال تغییر است. سپس پلاسما خود را تطبیق می دهد که هر گونه عدم تعادل و نا توازنی را اصلاح کند. این تغییرات غلظت به فرکانسی که وابسته به درجه حرارت پلاسما و جریان عبوری از آن است رخ می دهد. اگر غلظت جریان به اندازه کافی زیاد باشد، فرکانس (زمان تناوب) تغییرات چگالی برای اینکه پلاسما خودش را تطبیق دهد، بیش از حد سریع است. پس به وضعیتی ناپایدار تبدیل می شود.

طبق تحقیقات انجام شده ، این جور ناپایداری ها منجر به تشکیل CCDL می شود. تغییرات در چگالی های یون و الکترون باعث توسعه میدانهای الکتریکی داخلی می شود. این میدان ها با یونها انرژی مبادله می کنند که باعث میشود شروع به نوسان با دامنه بزرگی کنند و تغییرات چگالی را تقویت می کند. مناطقی با چگالی بار متفاوت میدان های الکتریکی بینشان بوجود ایجاد می شود.

زمانی که میدان الکتریکی به علت این تغییرات چگالی افزایش می یابد، جریان الکترون های جاری قطع می شود و بعضی از الکترون ها به دام می افتند و یا به سمت عقب شروع به حرکت به درون یک گرداب های داخلی می کنند. نتیجه تشکیل یک CCDL با شماری از یونها و الکترون های شتابدار، و یون ها و الکترون های به دام افتاده در طول یک DL است.

این جریان از بعضی جهات مشابه ناپایداری های جریان در سیالات است. CCDL در بعضی روشها مانند جهش هیدرولیکی است که سرعت سیال در دو طرف جهش متفاوت است. جهش شامل گرداب هایی از سیالِ به دام افتاده است و جهش خود در یک موقعیت ثابت است.

هر چند نمی توان گفت که تحلیل سیال آنقدری پیچیده است که بتواند حرکات الکترودینامیک ذرات باردار در میدانهایی که خودشان ساختند را مدل سازی کند. تفاوت قاعده کلی این است که DL به ذرات باردار در راستاهای مخالف، متناسب با بارشان شتاب می دهد، در حالی که جهش هیدرودینامیکی سرعت جریان سیال را به وسیله ایجاد تلاطم کاهش می دهد.

یک CCDL همیشه قسمتی از افت پتانسیل تولید شده توسط جریان را داخل ناحیه DL متمرکز می کند و در نتیجه گرادیان پتانسیل در جریان باقی مانده را نیز کاهش می دهد.

۷٫۶ اطلاف انرژی در DL ها

الکترون هایی که در افت پتانسیل ایجاد شده در طول یک CCDL شتاب گرفته اند، انرژی شان را در برخورد با اتمهای خنثی در آن طرف DL از دست می دهند. این اتم های برانگیخته، هنگامی که به حالت پایه (تراز اصلی) بر می گردند به ترتیب به وسیله تابش انرژی خود را از دست خواهند داد. پس تشکیل یک DL مثل یک وسیله ای عمل می کند که پلاسما با آن انرژی اضافه خود را پراکنده کند. حالتی شبیه به وضعیت مقاومت الکتریکی که در یک مدار الکتریکی اتفاق می افتد.

این مکانیسم به ثبات مدارهای پلاسما که انرژی را “بی خطر” پراکنده می کنند، کمک می کند که در غیر این صورت ممکن است نتیجه ، ناپایداری های آشفته و متلاطم را در پلاسما گسترش بیابند.

۷٫۷ طبقه بندی DLها

همانطورکه مطرح شد، یک تفاوت اصلی بین لایه های دوگانه حامل جریان (CCDL) و لایه های دوگانه بدون جریان (CFDL) که هر کدام با مکانیسم متفاوتی تشکیل شده اند، وجود دارد و به وسیله این که آیا DL اجازه می دهد جریان الکتریکی زیادی از آن عبور کند یا خیر ، به این دو مدل تقسیم بندی می شوند .

یک طبقه بندی دیگر بر اساس قدرت و توانایی DL است . بسته به افت پتانسیلی که در طول آن وجود دارد، یک DL به ضعیف، قوی، و یا نسبیتی طبقه بندی می شود. هر دسته اثر متفاوتی روی ذرات باردار در پلاسمای احاطه کننده شان خواهد داشت.

اگر افت پتانسیل در طول DL بیشتر از پتانسیل پلاسما باشد، DL در دسته DL قوی جای می گیرد. یک  DL قوی ذراتی که با انرژی کمتر از پتانسیل پلاسما، به DL می رسند را باز می فرستد و بازتاب می کند. فقط ذراتی با انرژی بیشتر از پتانسیل پلاسما وارد DL خواهند شد و شتاب می گیرند.

DL ضعیف سرعت ذراتی را که با پتانسیل پلاسما از سمت “مخالف” وارد می شوند، می کاهد و دوباره وقتی که از میان DL عبور کردند، به آنها شتاب می دهد.

اگر افت پتانسیل در طول DL به قدری باشد که موجب شود ذرات، انرژیِ بزرگتر از انرژی جرم سکون الکترون بدست آورند، به آن DL نسبیتی می گویند. پس یک DL نسبیتی هنگامی که الکترونها از میان افت پتانسیل عبور می کنند به آنها شتاب با سرعتی نزدیک به سرعت نور می دهد. این اتفاق می تواند در جت های پلاسمایی حامل جریان موازی پرقدرت دیده شود که می توانند در یک سمت یا هر دو طرف قطب محورهای کهکشان های رادیویی وجود داشته باشند .

جت کهکشان قنطورس A در ترکیب رنگهای غیر واقعی رادیویی (آبی) و اشعه ایکس (قرمز).

اعتبار: برای اشعه ایکس NASA/Chandra . برای رادیویی  NRAO/AUI

https://www.thunderbolts.info/wp/2012/01/04/essential-guide-to-the-eu-chapter-7/

مترجمین راهنمای ضروری جهان الکتریکی:

فرزین حسینی، سبا حفیظی، نسترن ختایی، سمانه فتحیه، ساناز مفیدی احمدی، فرشته معماریان، پروین هویدا و ثمین یزدی

هرگونه کپی برداری تنها با ذکر نام “بخش فارسی پروژه بین المللی آذرخش” امکان پذیر می باشد