การเชื่อมต่อใหม่ของสนามแม่เหล็ก

การเชื่อมต่อใหม่ของสนามแม่เหล็ก: ภาพตัดขวางของสี่เขตแม่เหล็ก สี่เขตแม่เหล็กที่แบ่งด้วยเส้นขอบที่เอียงสองเส้นจะเกิดขึ้น ตรงกลางของภาพมีแผ่นกระแสไฟฟ้า พลาสมาจะไหลเข้า (กระแสที่มุ่งไปยังแผ่นกระแสไฟฟ้า) จากด้านบนและล่างเข้าสู่บริเวณตรงกลาง เมื่อเชื่อมต่อใหม่ พลาสมาจะไหลออกไปทางซ้ายและขวาเป็นกระแสไหลออก (เจ็ตการเชื่อมต่อใหม่) แผ่นกระแสไฟฟ้าไม่จำเป็นสำหรับการเชื่อมต่อใหม่ของสนามแม่เหล็ก อัตราการเชื่อมต่อใหม่จริงที่เร็วกว่าโมเดลมาตรฐานยังไม่เป็นที่เข้าใจ

ปรากฏการณ์การเชื่อมต่อใหม่ของสนามแม่เหล็กบนดวงอาทิตย์

การเชื่อมต่อใหม่ของสนามแม่เหล็ก (อังกฤษ: Magnetic reconnection) คือกระบวนการทางฟิสิกส์ที่โครงสร้างของสนามแม่เหล็กในพลาสมาที่มีการนำไฟฟ้าสูงถูกจัดเรียงใหม่ ซึ่งพลังงานของสนามแม่เหล็กจะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์หรือพลังงานความร้อน เวลาที่การเชื่อมต่อใหม่ของสนามแม่เหล็กเกิดขึ้นนั้นจะอยู่ระหว่างเวลาการแพร่กระจายของสนามแม่เหล็กและเวลาการแพร่ของคลื่นอัลฟ์เวน (Alfvén wave)

เส้นสนามแม่เหล็กจะถูกแบ่งแยกตามเขตแม่เหล็กที่ต่างกัน เมื่อเกิดการเชื่อมต่อใหม่โครงสร้างของเส้นสนามแม่เหล็กจะเปลี่ยนไป นี่คือคำอธิบายเชิงปริมาณของการเชื่อมต่อใหม่ของสนามแม่เหล็ก เปลวสุริยะ (solar flare) เป็นปรากฏการณ์ระเบิดที่ใหญ่ที่สุดในระบบสุริยะ พลังงานของสนามแม่เหล็กที่สะสมอยู่หลายชั่วโมงถึงหลายวันจะถูกปลดปล่อยออกมาในช่วงไม่กี่นาทีด้วยกระบวนการเชื่อมต่อใหม่ของสนามแม่เหล็ก ในแถบแม่เหล็กโลก การเชื่อมต่อใหม่ของสนามแม่เหล็กจะทำให้เกิดแสงออโรรา ในห้องทดลอง การเชื่อมต่อใหม่ของสนามแม่เหล็กเป็นกระบวนการทางฟิสิกส์ที่สำคัญในการควบคุมการหลอมรวมนิวเคลียร์ และเป็นอุปสรรคต่อการกักเก็บแม่เหล็กของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์

ในพลาสมาที่นำไฟฟ้า เส้นสนามแม่เหล็กจะถูกเชื่อมโยงไปยังตำแหน่งต่าง ๆ โดยแยกออกเป็นเขตแม่เหล็กหลายเขต แม้ว่าจะได้รับผลกระทบจากกระแสไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็กภายนอกที่มีความแรง โครงสร้างของเส้นสนามแม่เหล็กนี้ก็ยังคงเก็บรักษาอยู่ใกล้เคียงกับเดิม โดยเกิดกระแสเหนี่ยวนำเพื่อต้านการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของเส้นสนามแม่เหล็ก

การเชื่อมต่อใหม่ของสนามแม่เหล็กแบบสองมิติที่พบได้บ่อยคือการเชื่อมต่อแบบ separator reconnection ตามภาพด้านขวา ในภาพจะแบ่งเป็นสี่เขตแม่เหล็ก โดยเส้นสนามแม่เหล็กจะเชื่อมโยงจากขั้วสนามแม่เหล็กในภาพไปยังขั้วแม่เหล็กอีกด้าน สำหรับการเชื่อมต่อแบบ separator reconnection จะมีการเชื่อมเส้นสนามแม่เหล็กเข้าจากสองเขตแม่เหล็กและออกไปยังอีกสองเขตแม่เหล็ก

ตามทฤษฎีของพลศาสตร์ของไหลแม่เหล็กแบบต้านทาน (resistive MHD) การเชื่อมต่อใหม่ของสนามแม่เหล็กเกิดขึ้นเนื่องจากความต้านทานไฟฟ้าของพลาสมาใกล้กับแผ่นกระแสไฟฟ้าที่รองรับสนามแม่เหล็ก กระแสไฟฟ้านี้ได้รับการอธิบายจากสมการของแมกซ์เวลล์:

$\nabla \times \mathbf {B} =\mu \mathbf {J} +\mu \epsilon {\frac {\partial \mathbf {E} }{\partial t}}.$

ความต้านทานไฟฟ้าของแผ่นกระแสจะทำให้กระแสแม่เหล็กกระจายออกในชั้นของแผ่น และโดยการตัดกันของสนามแม่เหล็กจากขอบทั้งสอง เมื่อเกิดการตัดกันนี้ พลาสมาจะถูกผลักออกเนื่องจากความดันของสนามแม่เหล็กที่ลดลงในบริเวณกลาง โดยสนามแม่เหล็กจะเข้าสู่บริเวณกลาง

ปัญหาในปัจจุบันของฟิสิกส์พลาสมาคือ ความเร็วของการเชื่อมต่อใหม่ที่สังเกตได้ที่มีตัวเลขลันด์ควิสต์ (Lundquist number) สูงจะเกิดขึ้นเร็วกว่าทฤษฎี MHD ที่คำนวณได้ถึง 13-14 หลัก นอกจากนี้ การคำนวณที่รวมถึงการเกิดการปั่นป่วนหรือผลกระทบด้านจลนศาสตร์ก็ยังคงมีความแตกต่างของเวลาในหลายหลัก ปัจจุบันมีทฤษฎีการเชื่อมต่อใหม่ของสนามแม่เหล็กที่แข่งขันกันสองทฤษฎี หนึ่งในนั้นคาดการณ์ว่า ความปั่นป่วนของสนามแม่เหล็กที่ขอบเขตจะทำให้เกิดการกระจายตัวของอิเล็กตรอนอย่างแรงและเพิ่มความต้านทานของพลาสมาในพื้นที่เฉพาะ ส่งผลให้การกระจายของสนามแม่เหล็กเกิดเร็วขึ้น

ทฤษฎีการเชื่อมต่อใหม่ทางแม่เหล็ก

โมเดลสวีท-พาร์คเกอร์

ในปี 1956 ปีเตอร์ สวีทได้ระบุว่าพลาสมาที่มีการจัดเรียงสนามแม่เหล็กแบบย้อนกลับจะเกิดการกระจายแม่เหล็ก ซึ่งถ้าสนามแม่เหล็กหดตัวจนมีขนาดสั้นกว่ามาตราส่วนสมดุลมาก การกระจายด้วยแรงต้านทานจะเกิดขึ้น ยูจีน พาร์คเกอร์ ผู้ที่เข้าร่วมประชุมเดียวกัน ได้นำแนวคิดนี้ไปพัฒนามาตราส่วนตามกฎของเขาหลังจากกลับจากการประชุม

โมเดลสวีท-พาร์คเกอร์เป็นโมเดลที่อธิบายการเชื่อมต่อใหม่ทางแม่เหล็กแบบคงที่ โดยคำนึงถึงพลาสมาที่มีสนามแม่เหล็กในทิศทางตรงกันข้ามในกรอบ MHD ที่มีแรงต้านทาน โดยในกรณีนี้ ความหนืดและการอัดตัวไม่สำคัญต่อการเชื่อมต่อใหม่

กฎของโอมสำหรับการทำงานในอุดมคติจะให้สมการต่อไปนี้:

$E_{y}=V_{in}B_{in}$

โดยที่ $E_{y}$ เป็นสนามไฟฟ้าทางทิศตั้งฉากกับหน้าจอ $V_{in}$ คือความเร็วในการไหลเข้า และ $B_{in}$ คือความเข้มของสนามแม่เหล็กในทิศทางต้นทาง

ภายใต้สมการแอมแปร์ที่ไม่มีผลของกระแสกระจัด สมการจะให้

$J_{y}\sim {\frac {B_{in}}{\mu _{0}\delta }},$

โดยที่ $\delta$ คือครึ่งหนึ่งของความหนาของชั้นกระแส จากการอนุรักษ์การไหลของมวลจะได้ว่า:

$V_{in}L\sim V_{out}\delta ,$

เมื่อ $L$ เป็นครึ่งหนึ่งของความยาวของชั้นกระแส และ $V_{out}$ คือความเร็วของการไหลออก สมการนี้แสดงถึงการอนุรักษ์การไหลของมวลในและนอกชั้นกระแส การสมดุลระหว่างความดันแม่เหล็กขาเข้าและความดันกลศาสตร์ขาออกจะได้:

$V_{out}\sim V_{A}\equiv {\frac {B_{in}}{\sqrt {\mu _{0}\rho }}}$

โดยที่ $V_{A}$ เป็นความเร็วในการแพร่กระจายของคลื่นอัลฟเวน

ในทางปฏิบัติ โมเดลนี้ไม่สามารถอธิบายความเร็วของการเชื่อมต่อใหม่ที่สังเกตได้ในปรากฏการณ์แฟลร์บนดวงอาทิตย์และพลาสมาห้องทดลอง เนื่องจากไม่สามารถรวมเอาผลของมิติสามมิติ ความไม่มีการชน และผลที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาได้

โมเดลการเชื่อมต่อใหม่ของเพตเชค

เหตุผลที่การเชื่อมต่อใหม่ในโมเดลสวีท-พาร์คเกอร์เกิดขึ้นช้า คืออัตราส่วนระหว่างแนวตั้งและแนวนอนที่สูงมาก ในปี 1964 แฮร์รี่ เพตเชคได้เสนอโมเดลที่แบ่งพื้นที่ไหลเข้าและไหลออกด้วยคลื่นกระแทกความเร็วเสียงแม่เหล็ก ซึ่งทำให้การเชื่อมต่อใหม่เกิดขึ้นเร็วขึ้น

การเชื่อมต่อใหม่แบบไม่มีการชน

เมื่อระยะทางสั้นกว่าเส้นการเคลื่อนที่ของไอออน สนามแม่เหล็กจะไม่ถูกแช่แข็งอยู่ในพลาสมา และการเชื่อมต่อใหม่เกิดขึ้นได้รวดเร็วกว่า เนื่องจากผลกระทบของคลื่นโฮลล์

การสังเกตและการทดลองการเชื่อมต่อใหม่ทางแม่เหล็ก

บรรยากาศของดวงอาทิตย์

การเชื่อมต่อใหม่ทางแม่เหล็กเกิดขึ้นพร้อมกับปรากฏการณ์บนดวงอาทิตย์ เช่น การปะทุของเปลวสุริยะและการปลดปล่อยมวลโคโรนา (CME) ซึ่งเกิดขึ้นในบรรยากาศของดวงอาทิตย์ สังเกตพบการไหลเข้าและการไหลออก, การเกิดลูปไหลลง และการเปลี่ยนแปลงในโครงสร้างเส้นแรงแม่เหล็ก ซึ่งทั้งหมดนี้เป็นหลักฐานของกิจกรรมการปะทุของเปลวสุริยะ ในปี 2012 เครื่องมือถ่ายภาพความละเอียดสูงของโคโรนา (High Resolution Coronal Imager) ได้ทำการสังเกตการเชื่อมต่อใหม่ทางแม่เหล็กบนดวงอาทิตย์โดยตรงเป็นครั้งแรก และผลการวิจัยถูกเผยแพร่ในปี 2013

แมกนีโตสเฟียร์ของโลก

การวิเคราะห์ใหม่ของภารกิจคลัสเตอร์ ได้กำหนดขนาดของการเชื่อมต่อใหม่ทางแม่เหล็กในแมกนีโตสเฟียร์ของโลกที่ยังไม่เคยมีการตรวจพบมาก่อน รวมถึงที่ขอบแมกนีโตสเฟียร์ทางฝั่งดวงอาทิตย์และที่หางแม่เหล็ก ภารกิจคลัสเตอร์ ประกอบด้วยยานอวกาศสี่ลำที่ถูกส่งขึ้นในตำแหน่งต่าง ๆ ในรูปทรงสามเหลี่ยมปิรามิดเพื่อตรวจวัดการเปลี่ยนแปลงในอวกาศ พบการเชื่อมต่อใหม่แบบย้อนกลับในจุดแคสป์ของขั้วโลก

การเชื่อมต่อใหม่ทางฝั่งดวงอาทิตย์ส่งอนุภาคและพลังงานเข้าสู่แมกนีโตสเฟียร์ของโลกโดยการเชื่อมโยงสนามแม่เหล็กของโลกและของดวงอาทิตย์ การเชื่อมต่อใหม่ทางแม่เหล็กที่เกิดขึ้นในส่วนหางแม่เหล็กทำให้เกิดการปล่อยพลังงานแม่เหล็กออกมา โดยอนุภาคที่ถูกเร่งจะถูกส่งเข้าสู่แมกนีโตสเฟียร์และทำให้เกิดพายุย่อยของออโรรา การเชื่อมต่อใหม่แบบย้อนกลับที่เกิดขึ้นทางฝั่งหางแม่เหล็กยังส่งผลต่อการไหลเวียนในชั้นไอโอโนสเฟียร์ทางฝั่งดวงอาทิตย์ ภารกิจ Magnetospheric Multiscale Mission (MMS) จะช่วยให้สามารถสังเกตการณ์ได้อย่างละเอียดมากขึ้น ทำให้สามารถเข้าใจพฤติกรรมของกระแสในบริเวณการแพร่กระจายของอิเล็กตรอนได้ดีขึ้น

ในวันที่ 26 กุมภาพันธ์ 2008 ภารกิจ THEMIS ได้ทำการตรวจสอบเพื่อหากลไกที่ทำให้เกิดพายุย่อยในแมกนีโตสเฟียร์เป็นครั้งแรก โดยยานสำรวจ 2 ใน 5 ลำของภารกิจ ซึ่งอยู่ห่างจากโลกประมาณหนึ่งในสามของระยะทางไปยังดวงจันทร์ ได้สังเกตเหตุการณ์การเชื่อมต่อใหม่ทางแม่เหล็กที่เกิดขึ้น 96 วินาทีก่อนการเพิ่มความเข้มของแสงออโรรา หัวหน้าทีมวิจัยของ THEMIS, ดร. วาสซิลิส แองเจโลปูลอส จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย กล่าวว่าข้อมูลจาก THEMIS ชี้ชัดเป็นครั้งแรกว่าการเชื่อมต่อใหม่ทางแม่เหล็กเป็นกลไกสำคัญในการเกิดพายุย่อยในแมกนีโตสเฟียร์

พลาสมาในห้องปฏิบัติการ

กระบวนการเชื่อมต่อใหม่ทางแม่เหล็กได้รับการศึกษาอย่างละเอียดในห้องปฏิบัติการ Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) โดยใช้อุปกรณ์ทดลอง Magnetic Reconnection Experiment (MRX) การทดลองได้ยืนยันแง่มุมต่าง ๆ ของการเชื่อมต่อใหม่ทางแม่เหล็ก รวมถึงพื้นที่ที่สอดคล้องกับโมเดลสวีท-พาร์คเกอร์

ในระบบโทคามัค, โทคามัคทรงกลม และรีเวิร์สฟิลด์พินช์ การสร้างพื้นผิวฟลักซ์แม่เหล็กแบบปิดมีความสำคัญอย่างยิ่ง เมื่อเกิดการเชื่อมต่อใหม่ที่เปลี่ยนแปลงการจัดเรียงสนามแม่เหล็ก ความสามารถในการกักเก็บจะลดลง ทำให้พลาสมาร้อนผสมกับพลาสมาเย็นภายในขอบเขตที่ถูกปิด

ดูเพิ่ม

• จุดมืดดวงอาทิตย์

• โคโรนา

แหล่งข้อมูลอื่น

• Magnetism on the Sun
• Magnetic Reconnection Experiment (MRX)