Die Schallgeschwindigkeit im Weltraum hat mehrere Bedeutungen, weil der Weltraum kein Vakuum ist (obwohl die Zahlendichte der Magnetosphäre der Erde um etwa 6-12 Größenordnungen geringer sein kann als die besten in Labors erzeugten Vakuums), ist er voller ionisierter Teilchen, neutraler und geladener Staub .

Im interplanetaren Medium oder IPM gibt es fünf relevante Geschwindigkeiten, die alle in gewisser Weise als eine Art Klang angesehen werden können, da jede mit der Geschwindigkeit der Informationsübertragung im Medium zusammenhängt.

Die "Schallgeschwindigkeiten"

Schallgeschwindigkeit

Da ein Plasma insgesamt wie eine Flüssigkeit wirken kann, kann es eine Schallgeschwindigkeit in klassischer Form haben$C_{s}^{2} = \partial P/\partial \rho$, wo$P$ist der thermische Druck und$\rho$ist die Massendichte. In einem Plasma hat dies die leicht veränderte Form von:

$$C_{s}^{2} = \frac{ k_{B} \left( Z_{i} \ \gamma_{e} \ T_{e} + \gamma_{i} \ T_{i} \right) }{ m_{i} + m_{e} }$$ wo $k_{B}$ist die Boltzmann-Konstante , $Z_{s}$ist der Ladungszustand der Spezies $s$, $\gamma_{s}$ist der adiabatische oder polytrope Index von Arten $s$, $m_{s}$ist die Masse der Arten $s$, und $T_{s}$ist die Durchschnittstemperatur der Arten $s$. In einem schwachen Plasma, wie es im IPM vorkommt, wird das oft angenommen $\gamma_{e}$= 1 (dh isotherm) und $\gamma_{i}$= 2 oder 3 oder so $\gamma_{e}$= 1 und $T_{e} \gg T_{i}$. Die obige Form der Schallgeschwindigkeit ist als ionenakustische Schallgeschwindigkeit bekannt, weil sie die Phasengeschwindigkeit ist, mit der sich lineare ionenakustische Wellen ausbreiten. Daher, $C_{s}$ist eine legitime Art der Schallgeschwindigkeit im Weltraum.

Alfven Speed

Die Alfvén-Geschwindigkeit ist definiert als:

$$V_{A} = \frac{ B_{o} }{ \sqrt{ \mu_{o} \ \rho } }$$ wo $B_{o}$ist die Größe des quasistatischen Umgebungsmagnetfelds, $\mu_{o}$ist die Durchlässigkeit des freien Raums , und $\rho$ist die Plasmamassendichte (die ungefähr der Ionenmassendichte entspricht, es sei denn, es handelt sich um ein Paarplasma). Diese Geschwindigkeit wird typischerweise mit transversalen Alfvén-Wellen in Verbindung gebracht , aber die Geschwindigkeit ist für die Informationsübertragung in Plasmen relevant.

Magnetisierte Schallwellen

In einer magnetisierten Flüssigkeit wie einem Plasma gibt es kompressive Schwankungen, wodurch sie das Magnetfeld in Phase mit der Dichte komprimieren, die als Magnetoschall- oder Fast-Mode-Wellen bezeichnet werden. Die Phasengeschwindigkeit für eine Fast-Mode-Welle ist gegeben durch:

$$2 \ V_{f}^{2} = \left( C_{s}^{2} + V_{A}^{2} \right) + \sqrt{ \left( C_{s}^{2} + V_{A}^{2} \right)^{2} + 4 \ C_{s}^{2} \ V_{A}^{2} \ \sin^{2}{\theta} }$$ wo $\theta$ist der Ausbreitungswinkel in Bezug auf $\mathbf{B}_{o}$.

Thermische Geschwindigkeiten

Es gibt auch die thermischen Geschwindigkeiten , an die man oft in Bezug auf Gase denkt. In einem Plasma gibt es für jede Teilchenart, zB Elektronen und Ionen, eine thermische Geschwindigkeit. Die eindimensionale Effektivdrehzahl ist gegeben durch:

$$V_{Ts}^{rms} = \sqrt{\frac{ k_{B} \ T_{s} }{ m_{s} }}$$ wo $s$kann sein $e$(Elektronen) bzw $i$(Ionen). Die dreidimensional wahrscheinlichste Geschwindigkeit , die gegeben ist durch: $$V_{Ts}^{mps} = \sqrt{\frac{ 2 \ k_{B} \ T_{s} }{ m_{s} }}$$

Antworten

Der Grund, warum der Sonnenwind zu Überschall wird, ist eigentlich ein Rätsel und ein großer Teil der Motivation für die Mission Solar Probe Plus . Eine der ursprünglichen Theorien war, dass die Änderung des Verhältnisses der$B_{o}/n_{o}$mit zunehmendem Abstand von der Sonnenoberfläche bewirkten sie einen Effekt ähnlich dem einer de Laval-Düse . Es gibt mehrere andere Aspekte, die die Dinge verkomplizieren (z. B. mehrere nicht-Maxwellsche Teilchenverteilungen), aber in jüngerer Zeit wurden Alfvén-Wellen als möglicher Beschleunigungsmechanismus vorgeschlagen.

Warum Subpopulationen von Teilchen in einem Plasma Überschall erreichen können, ist weniger ein Rätsel. Es gibt mehrere Mechanismen aus Welle-Teilchen-Wechselwirkungen, Fermi-Beschleunigung , verschiedene Arten von Stoßbeschleunigung usw.

Sobald ein Gas Überschall ist, muss es nicht unbedingt langsamer werden, es sei denn, es trifft auf ein Hindernis, sei es ein fester Körper (z. B. ein Asteroid) oder eine langsamer fließende Flüssigkeit. Ohne eine gewisse behindernde Kraft/Widerstand gibt es keinen Grund dafür, dass ein Gas eine Überschallgeschwindigkeit nicht aufrechterhalten kann. Stoßwellen in einer Kollisionsflüssigkeit, wie der Erdatmosphäre, halten nicht lange an, weil sie auf eine sich langsamer bewegende Flüssigkeit "stoßen", was ihre Ausbreitung behindert.