«امواج شوک بی برخورد در پلاسماهای فضا» و «اتصال مجدد خطوط میدان مغناطیسی»

تغییرات فشار هوا یا غرش حاصل از پرواز جتهای ما فوق صوت، نمونه‌های معمولی امواج شوک هستند که در جو چگال و با بر خورد زمین صورت می‌گیرند. امواج شوک، در محیطهای رقیق و بدون بر خورد پلاسمای منظومه شمسی، و ظاهراً در منظومه‌های ستاره‌ای و کهکشانی نیز موجود هستند. در واقع قسمت عمده اطلاعاتی که در باره اعماق کیهان از طریق ذرات پر انرژی پرتوهای کیهانی با علائم الکترو مغناطیسی دریافت می‌کنیم ظاهراً از نواحی شوکی بی بر خورد سرچشمه گرفته‌اند.
شوکی که در پلاسمای بی برخورد تشکیل می‌شود، جریانهای پلاسما را به جهتهای جدید می‌راند، جریان انرژی را تبدیل به گرما می‌کند، امواج پلاسما و تلاطم مغناطو هیدرو دینامیکی (M H D) به وجود می‌آورد، ذرات را تا انرژیهای پرتوهای کیهانی شتاب می‌دهد، و تابش الکترو مغناطیسی را تا نقاط دور دست فضا گسیل می‌دارد. پژوهشهای اولیه در این مورد عمدتاً مربوط می‌شد به مطالعه ماهیت نغیر خطی فرایندهای اتلافی جمعی، که گرمایش یونی را در ابزارهای «تنگش» مغناطیسی کنترل می‌کند. این موضوع بین سالهای 1974 تا 1979 میلادی تقریباً به طور کلی مسکوت ماند ولی در سال 1980، هنگامی که برنامه ماهواره I S E E (کاشف بین المللی زمین - خورشیدی) از دطریق استفاده از سفینه فضایی و وسایل بسیار یش رفته با توان تفکیک بالا، داده‌های لازم برای مطالعه «شوکهای کمانی» را فراهم کرد، از سر گرفته شد. شوکهای کمانی به آن دسته از امواج شوکی گفته می‌شود که هنگام عبور یک جسم، مثلاً یک سیاره، از درون پلاسما ایجاد می‌شوند، مانند باد خورشیدی که به وسیله خورشید گسیل می‌شود این داده‌ها همراه با نسل جدیدی از شبیه سازیهای کامپیوتری و نظریه‌ها، درک موضوع را تا سطح جدیدی بالا برده است.
یک مفهوم جدید و مهم در مورد شوکهای کمانی، «پیش شوک» است که ناحیه وسیعی در بالای لبه شوک اصلی است و یونها و الکترونهای پر انرژی را در بر می‌گیرد که یا از خود شوک باز تاب یافته‌اند و یا از قسمت پایین جریان گسیل شده‌اند. این ذرات نه فقط ارتباط تشخیصی مستقیم با فرایندهای شوک جاری را فراهم می‌سازند، بلکه انواع امواج M H D و پلاسما از خود بر می‌انگیزند که در بعضی از موارد می‌توانند به داخل ساختار شوک اصلی پس خورانده شوند. ماهیت پیش شوکها از طریق مشاهده مستقیم و از طریق شبیه سازی کامپیوتری مطالعه شده است.

اتصال مجدد خطوط میدان مغناطیسی

توپولوژی و رفتار خطوط میدان مغناطیسی، مانند اتصال مجدد خطوط میدان، در مطالعه پلاسماهای مغناطا سپهری و فضایی، و هم چنین پلاسماهای گداخت اهمیت اساسی دارد. منظور از اتصال مجدد، فرایند جدا شدن و ترکیب خطوط نیروی مغناطیسی است – مانند آن چه در دنباله قطب مغناطیسی زمین و مگنتو بوز اتفاق می‌افتد. انتقال انرژی میدان مغناطیسی به گرمایش و انرژی ذرات هدایت شده، هم در فورانهای خورشیدی و هم در زیر طوفانهای مغناطیسی، با اتصال مجدد همراه است.
اتصال مجدد سریع را می‌توان با شروع مقاومت غیر عادی ناشی از نا پایداری توجیه کرد. نمونه این نوع فرایند در پلاسمای گداخت در فازهای اولیه تخلیه توکاماک صوذت می‌گیرد، که طی آن جریان چنبره‌ای به طور شعاعی به طرف داخل پخش می‌شود. یک دلیل ممکن برای این مشاهدات حضور «مدهای جدا ساز» مقاوم است. بدون مدها، جریان پلاسمای چنبره‌ای را اساساً سطوح شار استوانه‌ای متقارن تشکیل می‌دهد و در نتیجه ذرات پلاسما فقط می‌توانند در اثر پخش ناشی از بر خورد و یا در اثر نا پایداریهای شعاعی، به طور شعاعی حرکت کنند. اما مدهای جدا ساز مقاوم سبب واپیچش سطوح شار می‌شوند، به طوری که ذرات می‌توانند با دنبال کردن یک خط میدان مغناطیسی به طور شعاعی به طرف قسمت دیگر سطح شار حرکت کنند. بنا بر این میزان ترابرد شعاعی را آهنگ رشد مدهای جدا ساز تعیین می‌کند.
حضور افت و خیزهای مغناطیسی متلاطم در مقیاس کوچک را نیز عامل رسانایی گرمایی بیش از اندازه زیاد الکترون در توکاماک دانسته‌اند، زیرا جریان شعاعی انرژی می‌تواند در اثر باز آرایش محلی یا نابودی سطوح شار مغناطیسی به وجود آید. پدیده دیگر در تخلیه‌های توکاماک وقوع گاه و بی گاه گسیختگیهای جریان است که در نتیجه پاره شدن خطوط مغناطیسی اتفاق می‌افتد. متأسفانه، طبیعت سه بعدی این وقایع وابسته به زمان، همراه با مشکل اندازه گیری، مانع از مطالعه دقیق فیزیک فرایند اتصال در وضعیت طبیعی آن شده است.
به هر حال، در یک رشته آزمایشهای اساسی ظریف که در U C L A انجام شد گکلمن و اشتنزل با اندازه گیریهای سه بعدی تفکیک شده زمانی از میدانهای الکتریکی و مغناطیسی، هم چنین با اندازه گیری خواصی از یونها و الکترونها مانند چگالی، سرعت سوق متوسط، انرژی متوسط و شار حرارتی، شروع به بررسی فیزیک این پدیده کردند.
این مطالعات به لطف گسترش پلاسماهای مغناطیده بزرگ با تخلیه کاتدی، به قطر یک متر و طول دو متر، همراه با آنالیزورهای سرعت با جهتهای مشخص (یک درجه تا پنج درجه) برای الکترونها و یونها، و در دست رس قرار گرفتن سیستمهای پر ظرفیت و سریع تحصیل و پردازش اطلاعات امکان پذیر شده است. از آن جا گه توابع توزیع به چند متغیر بستگی دارند از روشهای پیش رفته نمایش اطلاعات استفاده شده است که شامل فیلمهای تهیه شده توسط کامپیوتر و اسلایدهای استریوسکوپیکی است. فیلمهای تهیه شده توسط کامپیوتر از خطوط میدان، که با استفاده از داده‌ها محاسبه می‌شوند، برای اولین بار پیوستن و اتصال مجدد میدانها را به طور واقعی نشان دادند.
برای روشن ساختن کامل فیزیک وابسته و مطالعه ساختار اساسی تلاطم، در مرحله بعدی از تحلیل روشهای آماری به طور وسیع استفاده شده است. برای مثال، با استفاده از روشهای هم بستگی و تبدیلهای فوریه بستگی فضایی و زمانی افت و خیزهای مغناطیسی، تحلیل کاملاً سه بعدی پاشندگی و قطبش موج امکان پذیر شده است. معلوم شده است که تلاطم از امواج صوتی تشکیل می‌شود که به طور اریب منتشر می‌شوند. در حال حاضر نقش این امواج در پراکنش مشاهده شده یونها بررسی می‌شود.