مقدمه
مفهوم واژه "
ژئوفیزیک" در طول نیمه دوم قرن بیستم دچار تغییرات زیادی شده است. در اوایل دهه پنجم این قرن ، دل مشغولی اصلی فیزیک ، توجه به درون
سیاره خودمان ، یعنی به ژئوفیزیک زمین جامد شامل
زلزله شناسی ، فیزیک و صخره‌ها ،
خواص مغناطیسی و
الکتریکی پوسته و زیر پوسته یا جبه و از این قبیل بود. با ورود به دوران
پروازهای فضایی دامنه توجهات ژئوفیزیکدانها بازتر شد و بسوی همسایگان ما گسترش یافت. معلوم شد که ماده برون زمینی یک حالت یونیده دارد، که خیلی متفاوت از حالت ماده شناخته شده نزدیک به سطح زمین است.
ماده ای این نوع به علت حساسیت آن به
میدانهای الکتریکی و
مغناطیسی و قابلیت برای حمل جریانهای الکتریکی ، رفتار غیر منتظره از خود بروز می‌دهد. فیزیک پلاسمای فضایی به عنوان شاخه جدیدی مهمی از ژئوفیزیک می‌شود. امروزه ، روشهای فیزیک پلاسما نه تنها در زمینه ژئوفیزیک بیرونی بکار می‌رود بلکه نقش اساسی در فهم دینامیک مایع مرکزی زمین و نحوه ایجاد میدان مغناطیسی زمینی به عهده دارند.
تعریف پلاسما
یک پلاسما عبارت از گازی از ذرات باردار است، که تعداد مساوی حاملین بار مثبت و منفی آزد را شامل می‌شود. وجود تقریبی تعداد یکسانی از بار با علامتهای متفاوت در یک عنصر حجمی ضمانت می‌کند که
پلاسما در حالت ایستا "شبه خنثی" باشد. بطور متوسط جلوه خارجی یک پلاسما ، خنثی بودن الکتریکی آن است، چرا که میدانهای الکتریکی ناشی از ذرات باردار که توزیعی اتفاقی (کاتوره‌ای) دارند، متقابلا حذف می‌شوند. برای اینکه بتوان ذره‌ای را آزاد فرض کرد، می‌باید
انرژی پتانسیل نوعی آن ، ناشی از نزدیکترین همسایه‌اش به مراتب کوچکتر از
انرژی جنبشی (حرارتی) اتفاقی آن باشد.
فقط در این صورت است که حرکت ذره ، مادامی که برخوردهای مستقیمی رخ ندهند، عملا از تأثیر ذرات باردار دیگر ، واقع در همسایگی خود، مصون می‌ماند. چون در یک پلاسما ، می‌بایستی ذرات بر فرآیند تزویج (جفتمایی) فائق آیند، لذا می‌باید دارای انرژی حرارتی بیشتر از چند الکترون ولت باشند. بنابراین یک پلاسمای نوعی ، عبارت از یک گاز داغ و به شدت یونیده است، در حالیکه تنها معدودی از پلاسماهای خنثی ، مانند شعله‌ها یا
جرقه‌های برق آسمانی را می‌توان در نزدیکی سطح زمین یافت، اصولا پلاسماها در کیهان فراوانند. بیش از 99% از کل مواد شناخته شده در حالت پلاسما هستند.
حفاظ دبای
برای اینکه پلاسما در حالت ایستا رفتاری شبه خنثی داشته باشد، چنین عنصر حجمی باید به حد کافی بزرگ باشد تا به تعداد کافی از ذرات را در بر بگیرد، و در عین حال می‌باید در مقایسه با طولهای مشخصه برای تغییرات ماکروسکوپی (کلان) مانند چگالی و دما ، به اندازه کافی کوچک باشد. در عنصر حجمی می‌باید میدانهای بار فضایی میکروسکوپی ناشی از حاملین بار تکی همدیگر را خنثی کنند، تا بدین ترتیب خنثی بودن ماکروسکوپی بار فراهم شود.
پارامتر پلاسما
چون اثر حفاظ ، نتیجه‌ای از رفتار حجمی ذرات در داخل یک کره دبای است، لذا لازم است که کره مزبور شامل تعداد کافی از ذرات باشد.
فرکانس (بسامد) پلاسما
بسامد نوسان نوعی در یک پلاسمای کاملا یونیده ، همان فرکانس پلاسمای الکترونی است. اگر شبه خنثایی پلاسما توسط برخی نیروهای خارجی مختل شود،
الکترونها که تحرک بیشتری نسبت به یونهای به مراتب سنگین‌تر دارند، برای برگرداندن خنثایی بار شتاب می‌گیرند. آنها بنا بر لختی خود ، حول موضع تعادل به حرکت رفت آمدی پرداخته و در نتیجه حول یونهای با جرم بیشتر به سرعت به نوسانهای حجمی خواهند آمد. برخی پلاسماها ، مانند
یونسفر زمین کاملا یونیده نیستند. در اینها تعداد قابل توجهی ذرات خنثی داریم و اگر ذرات باردار برخوردهایی با ذرات خنثی داشته باشند، الکترونها وادار به اخذ تعادل با ذرات خنثی خواهند شد، و محیط مذکور دیگر نمی‌تواند به صورت پلاسما رفتار کند بلکه به صورت یک گاز خنثی در خواهد آمد. برای اینکه الکترونها از برخورد با ذرات خنثی بی تأثیر باقی بمانند می‌باید زمان متوسط بین دو برخورد الکترون – ذره خنثی ، بزرگتر از عکس بسامد پلاسمایی باشد. این سومین معیار برای یک محیط یونیده با رفتاری همانند یک پلاسما است.
پلاسماهای ژئوفیزیکی
پلاسماها نه تنها در کیهان ، بلکه در
منظومه شمسی ما نیز فراوانند. حتی در همین همسایگی زرمین ، همه ماده روی ارتفاع 100 کیلومتری در داخل و بالای یونسفر می‌باید با استفاده از روشهای ژئوفیزیک پلاسما بررسی شوند. تعداد زیادی از پلاسماهای ژئوفیزیکی مختلف با گستره زیادی از پارامتارهای مشخصه مانند چگالی و دما وجود دارند.
باد خورشیدی
خورشید ، ناشی از انبساط فراصوتی
تاج خورشیدی ، پلاسمایی با رسانش بالا را در سرعتهای فراصوتی ، حدود 500Km/s به درون
فضای بین سیاره‌ای گسیل می‌کند. این پلاسما ، "
باد خورشیدی" نامیده می‌شود و عمدتا شامل الکترونها و پروتونها با آمیزه‌ای از 5% یونهای هلیوم است. به علت رسانش بالا ،
میدان مغناطیسی خورشیدی در پلاسما منجمد می‌شود (نظیر مورد یک ابرسانا) وتوسط باد خورشیدی در حال گسترش به سمت بیرون کشیده می‌شود. میدان مغناطیسی بین سیاره‌ای در حدود nT5 است.
باد خورشیدی در برخوردش با
میدان دو قطبی مغناطیسی زمین نمی‌تواند بسادگی در آن نفوذ کند ولی کند شده و به مقدار زیادی حول آن انحراف می‌یابد. چون باد خورشید با سرعت فراصوتی به مانع برمی‌خورد لذا یک موج ضربه (شوک) کمانی تولید می‌شود که در آن پلاسما کنده شده و کسر مهمی از انرژی جنبشی ذرات به انرژی گرمایی تبدیل می‌شود. ناحیه گرماییده پلاسمای فروصوتی واقع در پشت شوک کمانی ، غلاف مغناطیسی نامیده می‌شود. پلاسمای آن چگالتر و گرمتر از پلاسمای باد خورشیدی بوده و مقادیر و شدت میدان مغناطیسی در این ناحیه بالاترند.
مغناطوسپهر
پلاسمای باد خورشید شوک دیده در غلاف مغناطیسی ، نمی‌تواند به بسادگی به میدان مغناطیسی زمین نفوذ کند، بلکه عموما حول آن منحرف می‌شود. اینکار نتیجه‌ای از این واقعیت است که خطوط میدان مغناطیسی بین سیاره‌ای نمی‌تواند به خطوط میدان زمین نفوذ کند و اینکه ذرات باد خورشیدی نمی‌توانند خطوط میدان بین سیاره‌ای را ناشی از ویژگی انجمادی مذکور در پلاسمای بشدت رسانا ، ترک کنند. مرز جدایی دو ناحیه مختلف ،
مغناطوپوز نامیده می‌شود، و کاواک (حفره) تولید شده توسط میدان زمین ، مغناطوسپهر نام گرفته است. فشار جنبشی پلاسمای باد خورشیدی قسمت خارجی میدان دو قطبی زمین را وا می‌پیچد. باد خورشیدی این میدان را در قسمتی جلو متراکم می‌کند، در حالی که همین میدان مغناطیسی در شب سمت (در پشت) رو به بیرون تا درون یک دم مغناطیسی دراز ، که تا ورای مدار ماه گسترده است، کشیده می‌شود.
پلاسمای داخل مغناطو سپهر عمدتا شامل الکترونها و پروتونها است. تولید این ذرات از باد خورشیدی و یونسفر زمین سرچشمه می‌گیرند. بعلاوه مغناطوسپهر حاوی درصد کمی از یونهای He
+ و O
+ با منشأ یونسفری و تعدادی یونهای He
++ ناشی از باد خورشیدی است. البته پلاسمای داخل مغناطوسپهر توزیع یکنواختی ندارد، بلکه به نواحی مختلفی با چگالیها و دماهای کاملا متفاوتی گروه بندی شده‌اند. کمربند تشعشعی بر روی خطوط میدان دو قطبی تقریبا از 2 تا R
E 6 ، (شعاع زمین مساوی 6371 کیلومتر) قرار دارد. این کمربند شامل الکترونها و یونهای پر انرژی است که در راستای خطوط میدان حرکت کرده و بین دو نیمکره به جلو و عقب نوسان می‌کنند. دامنه شدت میدان مغناطیسی تقریبا بین 100 تا nT1000 گسترده است.
عمده پلاسمای دم مغناطیسی در حوالی صفحه میانی دم در برگه پلاسمایی به ضخامت حدود 10 R
E ، متمرکز است. در نزدیکی زمین ، این برگه پلاسما به شفق یونسفری به عرض جغرافیایی بالا و در راستای خطوط میدان می‌رسد. بخش خارجی دم مغناطیسی ، "آویز دم مغناطیسی" نامیده می‌شود. این ناحیه حاوی پلاسمای بسیار رقیقی است.
یونسفر
نور فرابنفش خورشیدی تابیده بر اتمسفر (جو) زمین ، کسری از ذرات خنثای جو را یونیده می‌کند. در ارتفاع بالاتر از 80 کیلومتری ، برخوردها بسیار کمتر از آنند که مجال باز ترکیب سریعی در میان باشد و لذا در آنجا یک تجمع یونیده دایمی موسوم به
یونسفر تشکیل می‌شود. شدت میدان مغناطیسی از مرتبه nT104 است. یونسفر تا ارتفاع نسبتا بالا گسترده است، و در عرضهای جغرافیایی پایین و متوسط به تدریج به درون پلاسما سپهر رسوخ می‌کند. پلاسماسپهر عبارت از یک حجم چنبره‌ای شکل در داخل کمربند تشعشعی است. این حجم شامل یک پلاسمای سرد ولی چگالی با منشأ یونسفری است که همراه با زمین می‌چرخد. در صفحه استوایی ، پلاسماسپهر تا حدود R
E 4 گسترده است. جایی که در آن چگالی با کاهش تیزی همراه بوده و این مرز را
پلاسما پوز می‌نامند.
در عرض جغرافیایی بالا، الکترونهای موجود در برگه پلاسما می‌توانند در راستای خطوط میدان مغناطیسی ، تا ارتفاعات یونسفری پایین آیند، که در آنجا با ذرات خنثی جو برخورد کرده و آنها را یونیده می‌کنند. فوتونهای گسیلیده از این روند، به صورت یک محصول جانبی ،
نور شفق قطبی را تولید می‌کند. این شفقها ، نوعا در داخل "شفق تخم مرغی" شکل مشاهده می‌شوند که این یکی شامل رد پاهایی از آن خطوط میدانی است که رگه‌های برگه پلاسما را بهم می‌دوزند. در داخل شفق تخم مرغی جام قطبی قرار دارد که توسط خطوط میدان متصل به دوم مغناطیسی دوخته می‌شود.
جریانهای مغناطوسپهری
پلاسماهای مورد بحث در بخش اخیر ، معمولا ایستا نبوده ، بلکه تحت تدثیر نیروهای خارجی حرکت می‌کنند. گاهی مانند مورد باد خورشیدی ، یونها و الکترونها همراه باهم حرکت می‌کنند. اما گاهی نیز در سایر نواحی پلاسما ، حرکات یونها و الکترونها در جهات مختلف بوده و بدیت ترتیب یک جریان الکتریکی بوجود می‌آورند. چنین جریانهایی ، برای دینامیک پلاسمای اطراف زمین بسیار حائز اهمیتند. این جریانها ، بار الکترویکی ، جرم ، تکانه خطی و انرژی را انتقال می‌دهند. علاوه بر این جریانهای مذکور میدانهای مغناطیسی را تولید می‌کنند که می‌توانند بطور جدی شکل و مقدار میدانهای از پیش موجود را تغییر دهند و یا وابپیچند.
در واقع ، واپیچش میدان دو قطبی زمین در داخل به شکل نوعی مغناطو سپهر با جریانهای الکتریکی همراه است. تراکم میدان مغناطیسی زمین در سمت روز با شارش جریان در روی سطح مغناطو پوز موسوم به جریان مغناطوپوز توأم است. میدان دمواره سمت شب مغناطوسپهر با جریان دمی جاری در روی سطح دم ، و نیز با "جریان برگه خنثی" روی برگه پلاسمای مرکزی همراه است، که هر دوی اینها بهم متصل می‌شوند و یک سیستم جزیانی را تشکیل می‌دهند، که در نظاره آن ، در راستای خط زمین ، خورشید به شکل Θ دیده می‌شود.
یک سیستم جریان بزرگ مقیاس دیگر پیکربندی مغناطوسپهر داخلی را تحت تأثیر قرار می‌دهد، عبارت از "حلقه جریان" است. این جریان حلقوی ، حول زمین در جهتی رو به غرب ، در فواصل شعاعی چند برابر شعاع کره زمین جاری بوده و توسط ذرات
کمربند تشعشعی فوق الذکر حمل می‌شود. علاوه بر حرکت برشی آنها ، ذرات مزبور به آهستگی حول زمین کشیده می‌شوند. با سوق پروتونها به سمت غرب و الکترونها در جهت شرق یک جریان خالص بارالکتریکی ایجاد می‌شود.
تعدادی از سیستمهای جریانی در لایه‌های رسانای یونسفر زمین در ارتفاعات 100 تا 150 کیلومتری موجودند. برجسته‌ترین آنها عبارت الکترو افشانه‌های داخل شفق تخم مرغی شکل ، "جریانهای Sq" در سمت روز یونسفر با عرض جغرافیایی میانه روز و "الکترو افشانه استوایی" نزدیک استوای مغناطیسی هستند. افزون بر این جریانهای قائم ، جریانهایی نیز در راستای میدان مغناطیسی در کارند. جریانهای هم راستا با میدان و سیستم جریانهای مغناطوسپهر را به جریانهای جاری در یونسفر قطبی پیوند می‌دهند. جریانهای هم راستا با میدان ، عمدتا توسط الکترونها برقرار می‌شوند و برای تبادل انرژی و اندازه حرکت بین این نواحی ، نقش اساسی دارند.
رهیافتهای نظری
دینامیک یک پلاسما را برهمکنش حاملهای بار یا میدانهای مغناطیسی و الکتریکی رقم می‌زند. اگر همه میدانها منشأ خارجی داشتند، فیزیک آن نسبتا ساده می‌شد، اما چون ذرات به هر سو در حرکتند لذا امکان دارد که به صورت بار فضایی موضعی تمرکز یابند و بنابراین میدانهای الکتریکی بوجود آورند. افزون بر آن ، حرکت آنها همچنین می‌تواند جریانهای الکتریکی و از آنجا میدانهای مغناطیسی نیز بوجود آورند. این میدانهای داخلی و آثار پس گردی آنها بر روی حرکت ذرات پلاسما فیزیک پلاسما را مشکل می‌سازد.
بطور کلی دینامیک یک پلاسما را می‌توان با حل معادله حرکت برای هر یک انفرادی توصیف کرد. چون میدانهای الکتریکی و مغناطیسی که در هر معادله ظاهر می‌شوند، شامل میدانهای داخلی حاصل توسط هر ذره متحرک نیز است، لذا همه معادلات با همدیگر جفت می‌شوند و باید بطور همزمان حل شوند. چنین حل کامل نه تنها خیلی مشکل است بلکه استفاده عملی نیز ندارد زیرا که ما علاقمند دانستن کمیتهای میانگین نظیر چگالی و دمای هستیم و نه سرعت تک تک ذرات. بنابراین معمولا دست به تقریبهای مناسب برای مسئله مورد مطالعه می‌زنیم چهار تقریب متفاوت که بسیار سودمندند در خارج از این رده قرار می‌گیرند. ساده‌تر این رهیافت عبارت از توصیف در حرکت تک ذره است، در اینجا حرکت ذره تحت تأثیر میدانهای الکتریکی و مغناطیسی توصیف می‌شود. در این ، تقریبا از رفتار جمعی یک پلاسما چمپوشی می‌شود ولی این تقریب در بررسی پلاسمایی با چگالی بسیار پایین پلاسمای حلقه جریان سودمند است.
رهیافت "مغناطو هیدرودینامیکی" قرینه مقابل آن است که در آن از همه جنبه‌های ذره تنها چشمپوشی می‌شود و پلاسما به عنوان یک سیال رسانا با متغییرهای ماکروسکوپی مانند چگالی متوسط ، سرعت و دما تلقی می‌شود. در این فرض این برداشت بر این است که پلاسما می‌تواند تعادلهای موضعی را حفظ کند و برای مطالعه پدیده‌های موجی با بسامد پایین در شاره‌های با رسانایی بالایی غوطه‌ور در میدان مغناطیسی مناسب است. "چند سیالی" نظیر رهیافت مغناطو هیدرودینامیکی است ولی در آن به گونه‌های مختلف ذرات می‌پردازد. (الکترونها ، پروتونها و امکانات ذرات سنگین) و فرض می‌شود که هر کدام از انواع ذرات مانند یک شاره جداگانه رفتار می‌کند. امتیاز این رهیافت آن است که تفاوتهای موجود در رفتار شاده‌ای الکترونهای سبک و رفتار یونها را می‌توانند در نظر گرفته شوند که این نیز می‌تواند ما را به میدانهای جدایی بار و انتشار موج بسامد بالا رهنمون شود.
نظریه جنبشی پیشرفته‌ترین نظریه پلاسما است. این نظریه یک رهیافت آماری بکار می‌گیرد بجای حل معادله حرکت برای هر تک ذره ، به بسط تابع توزیع برای سیستم ذرات در فضای فاز می‌پردازد حتی در این نظریه نیز می‌باید برخی مفروضات ساده ساز وارد شوند و بسته به نوع ساده سازی ، انواع مختلفی از برداشتها در نظریه جنبشی وجود دارد.
مباحث مرتبط با عنوان
