臨界電離速度

臨界電離速度(CIV) または臨界速度(CV) は、中性ガスとプラズマ(電離ガス)間の相対速度であり、この速度で中性ガスは電離し始めます。さらにエネルギーが供給されても、ガスがほぼ完全に電離するまで、原子または分子の速度は臨界電離速度を超えません。

この現象は、スウェーデンの技術者でプラズマ科学者のハンネス・アルヴェーンが太陽系の起源に関するモデル（1942年）に関連して予測した。^{[1] [2] [3]}当時、この現象を説明できるメカニズムは知られていなかったが、理論は後に実験室で実証された。^[4]ブレンニングとアクネス（1988年）^{[5]によるその後の研究では、}低密度混成プラズマ不安定性が大きなイオンから電子にエネルギーを伝達し、イオン化するのに十分なエネルギーを与えることに関与していると示唆されている。この理論を天文学に応用した数々の実験では、さまざまな結果が得られている。^{[6] [7]}

ストックホルムの王立工科大学が最初の実験室テストを実施し、(a)プラズマと中性ガスの相対速度は臨界速度まで増加できるが、その後システムに投入された追加エネルギーは相対速度の増加ではなく中性ガスのイオン化に費やされること、(b)臨界速度は圧力や磁場とほぼ無関係であることを発見した。^[4]

1973年、ラース・ダニエルソンは臨界電離速度に関するレビューを発表し、この現象の存在は「十分な実験的証拠によって証明されている」と結論付けた。^[8] 1976年、アルヴェンは「宇宙環境下での臨界速度効果の最初の観測は、マンカら (1972) ^[9]によって月から報告された。放棄された月探査機 [391] が、月の境界からそれほど遠くない暗黒面に衝突したときに、ガス雲が生成され、それが膨張して太陽風に当たったときに超熱電子が発生した」と報告した。^[10]

実験室では、臨界電離速度は以前から認識されており、高密度プラズマフォーカス装置（またはプラズマガン）によって生成される半影領域で観測されています。宇宙プラズマでの存在は確認されていません。

1986年、ゲルハルト・ヘレンデルは、臨界速度電離が彗星のコマ内のプラズマの流れを安定化させる可能性があると示唆した。^[11] 1992年、E・ゴルブライカとM・フィリッポフは、臨界電離速度がコロナ質量放出と太陽フレアで役割を果たしている可能性があると主張した。[ ^12]また、1992年にアンソニー・ペラットとゲリット・ヴェルシュールは、星間中性水素放出が臨界速度電離の特徴を持っていると示唆した。^[13]

2001年にシュウ・T・ライが行ったこの現象のレビューでは、「実験室実験やコンピュータシミュレーションではCIVは実現可能で、合理的に理解できることが示されているが、宇宙でのCIV実験ではおそらく3つの例外を除いて否定的な結果が出ている」と報告されている。^[7]

また、2001年にC. Konzらは、「マゼラン流の冷たいガス雲の端近くの銀河ハローで観測されたHα放射の可能な説明として臨界速度効果について議論している」^[14]

数学的には、中性雲の臨界電離速度、つまり雲が電離し始めるときとは、相対的な運動エネルギーが電離エネルギーに等しいときであり、次のようになります。

${\displaystyle {\frac {1}{2}}mv^{2}=eV_{ion}}$

ここで、eV_イオンはガス雲中の原子または分子のイオン化ポテンシャル、mは質量、vは速度である。この現象は臨界速度イオン化[ ^11]や臨界速度効果^[15]とも呼ばれる。

アルヴェーンは、太陽系に進入する中性ガス雲を考察し、中性原子は重力の影響を受けて太陽に向かって落下し、その運動エネルギーが増加することを指摘しました。その動きがランダムであれば、衝突によってガスの温度が上昇し、太陽から一定の距離でガスがイオン化します。アルヴェーンは、ガスのイオン化ポテンシャル V _{ion は}、次の場合に発生すると書いています。

${\displaystyle eV_{ion}=E_{g}={\frac {kMm}{r}}}$

つまり、次の距離です。

${\displaystyle r_{i}=E_{g}={\frac {kMm}{eV_{ion}}}=6.9\cdot 10^{-20}M{\frac {m'}{V_{ion}}}=13.5\cdot 10^{13}{\frac {m'}{V_{ion}}}cm}$

(ここで、r _iは質量Mのイオンの太陽からの距離、m'は原子の重さ、V _ionはボルト、k は重力定数です)。次にガスがイオン化されると、電磁力が作用します。その中で最も重要なのは磁力です。磁力は通常、太陽からの磁気反発力を生み出す重力よりも大きくなります。言い換えると、無限遠から太陽に向かって落下する中性ガスは、距離 r _iで停止し、そこに蓄積され、おそらく惑星に凝縮されます。

アルヴェーンは、平均イオン化電圧が 12 V、平均原子量が 7 のガス雲を例にとると、距離 r _iが木星の軌道と一致することを発見しました。

水素の臨界電離速度は50.9 x 10 ⁵  cm/s（50.9 km/s）、ヘリウムの臨界電離速度は34.3 x 10  ⁵ cm/s（34.3 km/s）である。^[16]

アルヴェンはNASAの出版物「太陽系の進化」の中で、臨界速度の背後にある考えについて論じている。^[16]「均質円盤理論の不十分さ」を批判した後、彼は次のように書いている。

「… 二次天体が「無限遠」（衛星軌道に比べて大きな距離）から落下する物質から生じるという代替案に目を向ける方が魅力的です。この物質は（停止され、十分な角運動量を与えられた後）、中心天体から特定の距離に蓄積されます。このようなプロセスは、自由落下中の原子または分子がイオン化エネルギーに等しい運動エネルギーに達したときに発生する可能性があります。この段階で、ガスはセクション 21.4 で説明したプロセスによってイオン化される可能性があります。その後、イオン化されたガスは中心天体の磁場によって停止され、セクション 16.3 で説明したように、中心天体からの伝達によって角運動量を受け取ります。」

• ブレニング、N.
  • アルヴェンの CIV 効果に関する実験室実験と宇宙実験の比較、IEEE Transactions on Plasma Science (ISSN 0093-3813)、第 20 巻、第 6 号、p. 778-786 (1996)
  • CIV 現象のレビュー、Space Science Reviews (ISSN 0038-6308)、第 59 巻、1992 年 2 月、p. 209-314。(1992)
  • 臨界イオン化速度相互作用における磁場強度の限界、 流体物理学-- 1985 年 11 月 — 第 28 巻、第 11 号、pp. 3424–3426