Bevindingen die onlangs zijn gepubliceerd door een ruimtewetenschapper van het Southwest Research Institute (SwRI), werpen nieuw licht op het voorspellen van de thermodynamica van zonnevlammen en andere "ruimteweer"-gebeurtenissen waarbij hete, snel bewegende plasma's.

De wetenschap van statistische mechanica is een van de pijlers voor het begrijpen van het thermodynamisch gedrag van verschijnselen met een groot aantal deeltjes, zoals gassen. Klassieke statistische methoden hebben de tand des tijds doorstaan ​​voor het beschrijven van aardgebonden systemen, zoals de relatief dichte mix van gassen waaruit onze lucht bestaat, legt Dr. George Livadiotis uit, een senior onderzoeker in de Space Science and Engineering Division van SwRI.

Bij thermisch evenwicht, waar warmte-energie gelijkelijk wordt overgedragen tussen gasdeeltjes, hun verdeling valt in een voorspelbare verhouding - veel deeltjes met lage snelheid tot slechts een paar snelle. De deeltjes bewegen chaotisch, vaak met elkaar in botsing komen. Een statistische vergelijking, bekend als een Maxwell-Boltzmann- of Maxwell-verdeling, geeft nauwkeurig weer hoe deze mix van deeltjes met verschillende snelheden op aarde zal worden verdeeld.

Echter, Livadiotis zegt, dingen zijn anders in de ruimte, die eigenlijk niet leeg is maar gevuld met plasma, de zogenaamde vierde toestand van de materie. Plasma bestaat uit elektrisch geladen deeltjes - het is geen gas, vloeibaar noch vast, hoewel het zich vaak als een gas gedraagt.

Ruimteplasma zoals de zonnewind die van de zon naar buiten stroomt, heeft een hogere verhouding van snel bewegende deeltjes. In tegenstelling tot gassen op aarde, ze zijn "gecorreleerd, " meestal in dezelfde richting bewegen, zodat ze minder botsingen met elkaar ervaren. Voor deze reeks omstandigheden, het Maxwelliaanse distributiemodel werkt niet meer goed. Livadiotis heeft bevestigd dat een afzonderlijke statistische vergelijking, genaamd "Kappa, " is meer van toepassing op ruimteverschijnselen.

Kappa is de wiskundige vergelijking die de verdeling van deeltjessnelheden bij thermisch evenwicht beschrijft wanneer er correlaties zijn tussen deeltjessnelheden, zoals typisch is voor botsingsloze ruimtedeeltjessystemen.

"De Kappa-vergelijking berekent de verdeling van deeltjessnelheden bij thermisch evenwicht wanneer stromen van snel bewegende deeltjes massaal bewegen, " zei hij. "Dat is de typische situatie voor deeltjessystemen zoals ruimteplasma's."

Kappa voorspelt niet alleen de verdelingen van ruimteplasmadeeltjes beter, maar kenmerkt ook hun thermodynamisch gedrag beter dan het Maxwelliaanse model, zegt Livadiotis. Dit heeft betrekking op wat er gebeurt als extreem heet zonnewindplasma neerstort in de beschermende deken van de aarde van magnetisch geladen deeltjes, bekend als de magnetosfeer.

"Door Kappa-verdelingen konden wetenschappers de eerste temperatuurmetingen doen van de buitenste heliosfeer, " zegt Livadiotis. "Met Kappa, we kunnen ons begrip van de aard en eigenschappen van ruimtematerie drastisch verbeteren, of het nu de zonnewind is, uitbarstingen en coronale massa-ejecties, of zeldzame en meer extreme verschijnselen zoals kosmische straling."

Zijn papier, "Thermodynamische oorsprong van Kappa-distributies, " is gepubliceerd in de 18 juni, 2018, editie van EPL , een brievendagboek waarin de grenzen van de natuurkunde worden verkend.