ناپایداری در چگال شدگی

ناپایداری چگالشی (یا گرمایی) ناشی از عدم توازن ظریفی است كه بین همرفت، گرمایش، سرمایش، و رسانش گرمایی در یك شاره تراكم پذیر و تابش كننده ایجاد می‌شود. برای حفظ توازن فشار، بخشی از شاره كه سرد می‌شود چگال‌تر نیز می‌شود. اگر آهنگ تابش با زیاد شدن چگالی افزایش پیدا كند، ناحیه سردتر بیشتر تابش می‌كند و بنابراین ناپایداری را افزایش می‌دهد. به این ترتیب ناحیه‌های سرد و چگال در داخل محیطهای گرم‌تر و رقیق‌تر تشكیل می‌شود. مثلاً، ناپایداری چگالش ناشی از تابش ممكن است در گاز یونیده‌ای كه از لحاظ اپتیكی نازك است و عمدتاً از طریق اتلاف تابشی وابسته به دما و چگالی سرد می‌شود. رخ بدهد. ماهیت سازوكار گرمایش محیط و حضور یا عدم حضور میدان مغناطیسی نیز روی رفتار این ناپایداری تأثیر می‌گذارد.
سازوكار تشكیل ساختارهای رشته‌ای در یك شاره پیچیده ممكن است در سرتاسر جو خورشید، كه در آن همزیستی میان نواحی سرد و داغ در گستره وسیعی از مقیاس‌های فضایی دیده می‌شود، عمل كنند. از ناپایداری‌های چگالشی همچنین برای توجیه تعدادی از پدیده‌های اختر فیزیكی، شامل ابرهای میان ستاره‌ای، چگالش در سحابی‌های سیاره‌ای، و حتی كهكشان‌ها كمك گرفته می‌شود. بنابراین مایلیم بدانیم ناپایداری‌های چگالشی چگونه آغاز می‌شوند، چگونه در محیط‌های متفاوت رشد می‌كنند، و تحت چه شرایطی این چگالش‌ها پایدار می‌شوند یا از میان می‌روند. به علاوه از پیشگویی‌های مربوط به مقیاس‌های فضایی و زمانی وابسته به چگالش‌ها، مبنایی برای مقایسه نظریه با مشاهده یا آزمایش فراهم می‌آید.
بیشتر تحقیقات نظری درباره این ناپایداری متوجه ناحیه خطی بوده است. اما، همانند ناپایداری‌های كلوین – هلمهولتز و ریلی – تیلور، تحول غیر خطی هم اهمیت بسیار زیادی دارد، چون فرایندهای فیزیكی دخیل در این نوع ناپایداری‌ها با معادلات دیفرانسیل كاملاً غیر خطی توصیف می‌شوند. فعلاً بهترین روش برای مطالعه تحولات غیر خطی ناپایداری چگالشی كه تحت شرایط اولیه مختلفی به وجود آمده‌اند، شبیه سازی عددی است. در سال‌های اخیر تعدادی محاسبات غیر خطی انجام شده است كه هدف آن تجسس درباره پایداری چگالشی گازهای یونیده در دماها و چگالی‌های مشابه با ناحیه گذار خورشیدی و تاج خورشیدی است. شبیه سازی‌های یك بعدی اولیه نشان دادند كه ناپایداری منجر به ایجاد محیط پایدار در دو شاخه‌ای می‌شود كه از چگالش‌های سرد واقع در یك محیط داغ‌تر و رقیق‌تر تشكیل شده است. بنابراین پدیده‌های خورشیدی مانند زائده‌ها، برآمدگی‌ها، و فوران‌های جرمی تاجی، كه همه آن‌ها سردتر و چگال‌تر از محیطهای اطراف خود هستند، ممكن است از طریق ناپایداری چگالشی تشكیل شوند.
همین اواخر، برای مطالعه تفصیل‌تر جنبه دینامیكی و انرژی‌یابی ناپایداری، شبیه سازی‌های چند بعدی انجام شده است، در یك رشته از محاسبات، برای راه اندازی ناپایداری در گاز، اختلال‌های كتره‌ای سرعت یا چگالی به كار گرفته شده است. این طور راه اندازی، اثرهای تلاطمی را كه در بسیار از سیستم‌های فیزیكی مورد توجه وجود دارند، شبیه سازی می‌كند. چنانكه در كارهای یك بعدی اولیه معلوم شد، ساختارهای سرد پایداری تشكیل می‌شوند كه فقط كمی در اطراف مقادیر مشخصه دما و چگالی نوسان می‌كنند. به علاوه محاسبات چند بعدی نشان می‌دهد كه ناپایداری چگالشی می‌تواند مسؤول تشكیل رشته‌ها و جریان‌های تلاطمی وابسته باشد، و نشان می‌دهد كه این ساختارها می‌توانند برای مدت زیادی پایدار باشند. همچنین معلوم شده است كه اگر یك اختلاف در سرعت با دامنه نسبتاً بزرگ صورت بگیرد، چگالش‌ها تشكیل نخواهند شد.
برای پی بردن به نقش ناپایداری‌های چگالشی در برقراری ساختارهای پایدار در شاره‌هایی كه توازن انرژی آن‌ها توسط فرایندهای فیزیكی پیچیده‌ای تعین می‌شود، كارهای بیشتری لازم است. مثلاً یك وضعیت مانسته لجام گسیخته باید در شاره‌هایی كه واكنش شیمایی نشان می‌دهند، از طریق عدم توازن‌های خود فزاینده میان واكنش‌های گرماگیر و منابع انرژی محیط مجاور ایجاد شود، و بدین ترتیب به نوع ناپایداری مشابهی بیانجامد. بررسی‌های دقیق‌تر و مفصل‌تر قابلیت كاربرد ناپایداری چگالشی به پدیده‌های اختر فیزیكی فوق الذكر به تازگی شروع شده‌اند. اما برای درك رفتار این ناپایداری در سیستم‌های فیزیكی واقعی باید گسترش غیر خطی آن را تحت شرایط مشكل‌تر از شرایطی كه تاكنون در مدل‌ها آمده‌اند برقرار كرد: مثلاً در حضور میدان‌های مغناطیسی، تحمیل پیوسته اختلال‌های محركه، یا عدم یكنواختی اولیه محیط.