Plazmový vesmír | Přepojení magnetických siločar

Úvod

Pokud se v poslední době hovoří o fyzice plazmatu, většinou diskuze sklouzne k přepojení magnetických siločar. Jde o jev, s jehož pomocí se daří vysvětlovat řadu dosud nepochopených dějů v plazmatu. Mezi ně patří například náhlá vzplanutí v koroněKorona – atmosféra Slunce, v níž pohyb částic dominantně ovlivňuje gravitace a magnetické pole. Hranice mezi koronou a slunečním větrem se nazývá Alfvénův povrch. Teplota korony dosahuje až milionů stupňů Celsia, pravděpodobně je korona ohřívána rozpadem plazmových vln a lokálními rekonekcemi (přepojováním) magnetických siločar. K korona (kontinuum) je způsobena rozptylem slu­neč­ní­ho světla na volných elektronech. F korona (Fraunhoferova) je způsobena rozptylem slunečního světla na prachových částicích padajících z mezi­pla­ne­tár­ní­ho prostoru na Slunce, charakteristické jsou absorpční čáry. E korona (emisní) jsou emisní čáry způsobené přechody ve vysoce ionizovaných kovech. Tyto čáry jsou možné jen za vysokých teplot milionů kelvinů. Slunce, jevy na hranici magnetosféry Země a meziplanetárního prostoru, jevy v atmosférách magnetarůMagnetar – neutronová hvězda s mimořádně silným magnetickým polem až 10¹² T. Kůra je již nestabilní, praská, dochází k pravidelným magnetotřesením doprovázeným přepojením magnetických siločar a záblesky v retgenovém a měkkém gama oboru. První projevy magnetaru byly detekovány v roce 1979 (opakované záblesky gama neboli SGR). První magnetar detekovala v roce 1998 Chryssa Kouveliotou z Marshallova kosmického letového centra v NASA. Výjimečně mohou opakující se záblesky přejít v jeden mohutný, neopakovatelný záblesk., stejně tak jako jevy v laboratorním plazmatu. K přepojení magnetických siločar dochází na všech nám dostupných škálách.

Nejčastěji hovoříme o přepojení magnetických siločar, o rekonekci (původní anglický termín je reconnection) nebo o magnetickém zkratu. Každý z nás zhruba ví, co je elektrický zkrat. Elektrický proud si najde kratší, výhodnější cestu. Obdobně může dojít k tomu, že magnetické silokřivky prudce změní svou dosavadní topologiiTopologie – nauka o globálních vlastnostech a struktuře množin. Za topologicky ekvivalentní považujeme množiny, které lze spojitě deformovat jednu na druhou. Topologicky ekvivalentní nejsou množiny, lišící se přítomností „díry“, „slepením“ některých hraničních částí atd. Topologie vesmíru jako celku není známa. Rovnice obecné relativity nám umožňují jen sledování lokálních geometrických vlastností. do jiné, energeticky výhodnější podoby. Při tom dojde k uvolnění energie, která zahřeje okolní plazma. Někdy natolik, že plazma zazáří i v rentgenovém oboru. V každém případě však změna topologie magnetických siločar znamená zásadní změnu v chování plazmatu.

K přepojení magnetických siločar dochází v oblastech, kde mají blízké siločáry opačný směr. Jde o proudovou vrstvu, v níž je nulové magnetické pole a nenulová hustota elektrického proudu. Oblast přepojení se silně zahřeje a může z ní uniknout plazmoidPlazmoid – kompaktní plazmový útvar, někdy nazývaný plazmový oblak, zhustek, shluk, cluster. Plazmoid s sebou může unášet tzv. vmrznuté magnetické pole. se zamrzlým (provázaným s plazmatem) magnetickým polem.

Pokud má plazma konečnou vodivost, může dojít k transformaci mezi magnetickou, tepelnou a kinetickou složkou energie. Přispívají k tomu proudy tekoucí v plazmatu a následný ohmický ohřev. Představme si, že v plazmatu se k sobě přiblíží dvě oblasti magnetického pole s opačně orientovanými siločarami. V této oblasti vzniká tzv. difúzní region. Ten je charakteristický velmi nízkou hodnotou magnetického pole. Právě zde dojde ke změně topologie magnetických siločar, jejich přepojení do nové konfigurace s nižší energií. Při přepojení tečou v difúzním regionu velké elektrické proudy, které zahřívají plazma. Energie magnetického pole je transformována do tepelné energie plazmatu. Horké plazma nadbytečnou energii intenzivně vyzařuje do okolí. Makroskopický pohyb plazmatu je při přepojení také ovlivněn. Před přepojením se plazma pohybuje kolmo na siločáry směrem do difúzního regionu (červené šipky na obrázku). Po přepojení je plazma vytlačováno ve směru původní orientace magnetických siločar. Podle tvaru magnetických siločar se střed difúzního regionu, ve kterém je nulové pole, někdy nazývá neutrální bod typu X. V třírozměrné situaci tvoří hodnoty nulového magnetického pole celou křivku. V některých situacích způsobí nestability opakované přepojení magnetických siločar s periodicky se opakujícími body nulového pole tvaru X a O. Kolem bodů O se vytvářejí magnetické ostrovy.

Po přepojení magnetických siločar vznikají plazmoidy (kompaktní plazmové útvary, které s sebou mohou unášet tzv. vmrznuté magnetické pole) a výtrysky – oblasti plazmatu, které odnášejí část energie magnetického pole transformovanou do energie kinetické a tepelné.

Rekonekce na Slunci

K nejznámějším jevům souvisejícím s přepojením magnetických siločar patří výrony koronální hmoty CMECME – Coronal Mass Ejection, výron sluneční koronální hmoty (s vmrznutým magnetickým polem) do meziplanetárního prostoru. K výronům CME dochází pravidelně, jejich četnost odpovídá sluneční aktivitě – v minimu dochází k CME přibližně jednou za den, v maximu dochází k CME až třikrát denně. Rychlé výrony CME se mohou dostat až do vzdálenějších oblastí Sluneční soustavy, takové putující plazmoidy se nazývají ICME (Interplanetary CME). na Slunci. V blízkosti povrchu se nacházejí silná lokální pole (například v okolí slunečních skvrn a protuberancí). Nezřídka se stává, že u protáhlé smyčky magnetického pole se proti sobě dostanou dvě oblasti opačně orientovaných polí. V takovém okamžiku může dojít k přepojení siločar a transformaci uvolněné energie do tepelné energie. Vznikne horký oblak hmoty zářící většinou v rentgenovém oboru. Oblak se může oddělit od Slunce a v podobě plazmoidu s vmrznutým magnetickým polem putovat Sluneční soustavou. Střetne-li se s některou planetou, obtéká rázovou vlnu a polárními kaspy (trychtýřovitá oblast v blízkosti magnetických pólů planety) proniká do magnetosféry planety. Způsobuje polární záře, magnetické bouře a další doprovodné jevy. V roce 2000 dokonce jeden z plazmoidů vyvržených ze Slunce proletěl magnetosférami Země, Jupiteru a Saturnu (viz AB 2005/1).

Sledování výronů koronální hmoty je velmi důležité. Vyvrhnutý plazmoid (pokud letí směrem k Zemi) může vyvolat magnetické bouře a vznik napětí, které je schopné poškodit rozvodné sítě elektrického proudu. Doprovodná rentgenová vzplanutí (X Ray Flare) dělíme podle měřené intenzity v rozsahu vlnových délek 0,1 až 0,8 nanometru na typy B, C, M a X:

typ RTG vzplanutí	tok energie	popis
B	< 10−6 W/m2	nevýrazný RTG pík
C	10−6÷10−5 W/m2	malé vzplanutí
M	10−5÷10−4 W/m2	střední vzplanutí
X	>10−4 W/m2	nejintenzivnější vzplanutí

Koronální výron hmoty pozorovaný sondou SDOSDO – Solar Dynamics Observatory, americká sluneční observatoř, která startovala 11. února 2010. Dokáže pořídit snímek Slunce každých 12 sekund v rozlišení 4096×4096 pixelů. K základním přístrojům observatoře patří: AIA (Atmospheric Imaging Assembly) – čtveřice dalekohledů o průměru 20 cm s deseti filtry pro různé vlnové délky, HMI (Helioseismic and Magnetic Imager) – helioseismometr a magnetometr, EVE (EUV Variability Experiment) – detektor fluktuací extrémního ultrafialového záření. Observatoř je na geosynchronní orbitě Země. dne 31. 8. 2012. Materiál vyvržený
 v důsledku přepojení magnetických siločar měl rychlost 1 400 km/s. Zdroj: NASA.

Magnetosféra Země

K přepojení magnetických siločar dochází často v magnetosféře Země. Na denní straně (směrem ke Slunci) dochází ke styku magnetických siločar meziplanetárního magnetického pole a vlastního pole Země. Pokud jsou směry siločar opačné a od Slunce k nám proudí zvýšený tok slunečního plazmatu, může dojít k přepojení mezi oběma typy siločar. Nabité částice pak podél vzniklé otevřené siločáry vnikají do horních vrstev atmosféry, kde mohou vytvořit polární záře. Vtékající plazma naruší magnetosféru, dojde k magnetickým bouřím. Plazma se dostává do plazmového ohonu na noční stranu, kde způsobí další přepojení magnetických siločar a vznik plazmoidu s vmrznutým polem. K přepojení magnetických siločar může dojít i tehdy, je-li směr meziplanetárního pole shodný se směrem siločar na denní straně. K přepojení siločar pak dochází na bocích magnetosféry, nikoli přímo v oblasti místního poledne. Energie vzniklá při přepojení se transformuje do nízkofrekvenčních oscilací elektronů známých jako hvizdy.

O možnosti přepojení magnetických siločar poprvé uvažoval James Dungey v roce 1951. Přepojení bylo přímo pozorováno družicí POLAR až v roce 2000. Měření byla doplněna o pozorování podmínek v plazmovém ohonu z družice Geotail.

Možná místa přepojení siločar v magnetosféře Země.

Magnetary

Magnetary jsou neutronové hvězdy s extrémně silným magnetickým polem, které dosahuje hodnot až 10¹² T. Jde o objekty s nejsilnějším známým polem ve vesmíru vůbec. Povrch magnetaru tvoří tenká kůra z elektronů a magnetického pole, ve které dochází k opakovaným magnetotřesením. Magnetotřesením narušené a zprohýbané siločáry magnetického pole se zpřetrhají a znovu spojí do energeticky výhodnější konfigurace. Při tom se uvolní značné množství energie, které zahřeje magnetickou korónu magnetaru. Vznikne horký oblak elektron pozitronových párů a fotonů (horká nehadronová hmota, ohnivá koule neboli fireball). Elektrony a pozitrony jsou zachyceny a drženy silným magnetickým polem, fotony unikají v podobě rentgenových vzplanutí nebo měkkého gama záření. Tyto nepravidelné rentgenové hvězdy nazýváme AXP (Anomalous X ray Plusar) a v případě gama vzplanutí SGR (Soft Gamma Repeater). Celkově je takových zdrojů známo v naší Galaxii přes deset. Vzplanutí se objevují v nepravidelných intervalech, hovoříme o tzv. aktivní fázi magnetaru (trvá cca 20 000 roků). Někdy dojde ke katastrofické rekonekci magnetických siločar a k gigantickému záblesku, který je tisíckrát energetičtější než běžně se opakující vzplanutí. Zatím byly pozorovány tři takové případy (1979, 1998, 2004), v posledním byla uvolněná energie doposud nejvyšší, a to 10³⁹ J.

gigantická vzplanutí	poloha	datum	uvolněná energie
SGR 0525-66	LMC	5. 3. 1979	6×1037 J
SGR 1900+14	Orel, 20 000 ly	27. 8. 1998	2×1037 J
SGR 1806-20	Střelec, 50 000 ly	27. 12. 2004	2×1039 J

Umělecká vize magnetaru. Zdroj: NASA.