Fale magnetohydrodynamiczne - Polski Serwis Naukowy

Fale magnetohydrodynamiczne (fale MHD) to fale ładunków elektrycznych rozprzestrzeniające się w płynie przewodzącym prąd elektryczny w obecności pola magnetycznego. Fale MHD obserwuje się w wielu obiektach astrofizycznych, w których funkcję ośrodka przewodzącego spełnia plazma, takich jak: korona i wiatr słoneczny, magnetosfery i jonosfery planet, warkocze kometarne. Pełna fizyka fal MHD nie jest w pełni poznana ze względu na różnorodność zjawisk transportu, w tym efektów nieliniowych.

Korona jest najbardziej zewnętrzną częścią atmosfery słonecznej, rozciągającą się miliony kilometrów od Słońca, widzianą najlepiej podczas całkowitego zaćmienia Słońca.

Plazma – zjonizowana materia o stanie skupienia przypominającym gaz, złożona zarówno z cząstek naładowanych elektrycznie, jak i obojętnych. Mimo że plazma zawiera swobodne cząstki naładowane, to w skali makroskopowej jest elektrycznie obojętna.

W falach MHD można wyróżnić 3 podstawowe rodzaje:

fala dźwiękowa - podłużna fala ciśnienia plazmy, która porusza się wzdłuż linii pola magnetycznego i nie wywołuje zmian tego pola, pole magnetyczne nie wpływa też na falę. Prędkość fali jest równa prędkości dźwięku.

fala Alfvena – fala poprzeczna, propagująca się wzdłuż linii pola magnetycznego bez zmian ciśnienia płynu. siłą kierującą jest oddziaływanie ładunków z polem magnetycznym; fala ta porusza się z prędkością Alfvena.

fala magnetodźwiękowa – fala propaguje się prostopadle do linii pola magnetycznego; w tym rodzaju fali przyczyną oscylacji są zarówno zmiany ciśnienia w płynie, jak i ciśnienia pola magnetycznego. Ruch cząstek naładowanych w określonym zakresie energii w poprzek linii pola magnetycznego łączy się z wirowaniem wzdłuż tych linii.

Fala magnetodźwiekowa rozchodzi się z prędkością większą niż prędkość Alfvena:

Pole wmrożone – pojęcie używane w fizyce plazmy, szczególnie w astrofizyce, opisujące zjawisko polegające na tym, że jeżeli w plazmie istnieje pole magnetyczne a plazma porusza się, to pole magnetyczne porusza się razem z plazmą.

Wiatr słoneczny – strumień cząstek wypływających ze Słońca, składających się przede wszystkim z protonów i elektronów o dużej energii. Protony spokojnej fazy wiatru mają energię około 0,5 keV, zaś podczas rozbłysków rejestrowane są cząstki o energii do 1 GeV. Rozchodzą się one promieniście we wszystkich kierunkach. Badania sondy Ulysses wykazały, że w płaszczyźnie słonecznego równika prędkość wiatru jest średnio ponad dwukrotnie mniejsza, niż na szerokościach heliograficznych obszaru polarnego. Podczas szczytu aktywności słonecznej, gdy zanikają polarne dziury koronalne, prędkość wiatru emitowanego w kierunku bliskim osi obrotu Słońca zmniejsza się.

$v_m^2=c^2\,\frac{v_s^2+v_A^2}{c^2+v_A^2}$ ,

gdzie:

vs – prędkość dźwięku,

vA – prędkość Alfvena,

c – prędkość światła w próżni.

Powyższy związek można uzyskać uwzględniając niezaniedbywalną dyfuzję pola magnetycznego, czyli szczególny zakres temperatur, bo w warunkach pełnego wmrożenia pola magnetycznego wyrażenia na prędkość propagacji fal plazmowych są znacznie prostsze. Gdy w cytowanym wzorze prędkość Alfvena jest kilka rzędów mniejsza niż prędkość światła wzór ten upraszcza się do postaci $v_m^2=v_s^2+v_A^2$ . To rozwiązanie nazywane jest falą "szybką" w odróżnieniu od "wolnej" przemieszczającej się z prędkością dźwięku (z dokładnością do funkcji zależnych od kąta skłonu).

Magnetohydrodynamika (MHD) lub hydromagnetyka, magnetogazodynamika, magnetoplazmodynamika - akademicka dyscyplina dział mechaniki płynów zajmujący się zagadnieniami związanymi z ruchem płynów przewodzących prąd elektryczny w polu elektromagnetycznym. Szczególnym zainteresowaniem MHD jest oddziaływanie ośrodka i pola magnetycznego.

Pole magnetyczne — stan przestrzeni, w której siły działają na poruszające się ładunki elektryczne, a także na ciała mające moment magnetyczny niezależnie od ich ruchu. Pole magnetyczne, obok pola elektrycznego, jest przejawem pola elektromagnetycznego. W zależności od układu odniesienia w jakim znajduje się obserwator, to samo zjawisko może być opisywane jako objaw pola elektrycznego, magnetycznego lub obu.

Energia fal magnetohydrodynamicznych jest przetwarzana na ciepło ośrodka, gdyż oscylacje plazmy to przepływ prądu elektrycznego tłumionego przez lepkość.