PLAZMOVÝ VESMÍR

Uvádí se, že 99 % veškeré hmoty ve vesmíru je v plazmovém skupenství. Jen my máme to štěstí, že žijeme na naší Zemi, která patří k onomu jednomu procentu hmoty ve skupenství jiném. Ale i na Zemi nalezneme plazma: v kanálech blesků, v ionosféře, v polárních zářích a v magnetosféře Země. Ve sluneční soustavě se plazma nachází ve slunečním větru, v magnetosférách planet a komet. V okolí Jupiteru a Saturnu dokonce plazma vytváří obří plazmové torusy. Samo Slunce i ostatní hvězdy jsou velké plazmové koule a takové jevy jako sluneční skvrny, spikule, chromosférické erupce a protuberance patří k typickým projevům plazmatu. Nejen hvězdy, ale i drtivá většina mlhovin v galaxiích je tvořena rozsáhlými oblaky plazmatu. V mlhovinách opět pozorujeme typické plazmové projevy – filamentaci způsobenou elektrickými a magnetickými poli, urychlování částic na značné energie a vyzařování způsobené různými mechanismy. V blízkosti centra Galaxie se pozorují rozsáhlá plazmová vlákna s délkou kolem 250 světelných let kolmá na rovinu Galaxie. V ostatních galaxiích jsou podobné útvary sledovány zejména v jádrech aktivních galaxií (AGN – Active Galactic Nuclei). Blízké galaxie jsou propojeny vodíkovými plazmovými mosty (například naše Galaxie s Magellanovými mračny). Charakteristické výtrysky u kvasarů a některých aktivních jader galaxií jsou opět plazmové útvary a podvojná radiová struktura často pozorovaná u těchto objektů má svůj původ ve vlastnostech plazmatu. Numerické simulace posledních let ukazují, že plazmové jevy měly pravděpodobně dominantní úlohu při vytváření hvězd z protohvězdných oblaků a umožnily vytvoření počátečních globulí bez splnění Jeansova kritéria na minimální velikost mlhoviny i bez "startovací" rázové vlny od blízké supernovy. Stejně tak numerické simulace ukazují, že spirální ramena galaxií mohou být důsledkem elektromagnetické interakce a globálních magnetických polí, nikoli jen gravitačním projevem. Dnes se také zdá, že ty nejenergetičtější přirozené částice, které pozorujeme v kosmickém záření, byly urychleny ve vesmírných plazmových vláknech s elektrickými dvojvrstvami. Celkový obraz našeho vesmíru se tak mění. Vesmír, to není jen gravitační interakce, jak jsme si donedávna mysleli. K utváření vesmíru přispívá stejnou měrou elektromagnetická interakce a její projevy. S nástupem rentgenových družic posledních let jsme se dočkali doslova útoku fyziky plazmatu na náš vesmír.

 
Sluneční protuberance. Plazmový výtrysk ze slunečního povrchu ovládaný magnetickým polem.

Pro člověka je asi nejznámějším příkladem plazmatu vodivý kanál blesku. Typické parametry blesku jsou:

Na jiných planetách se setkáme i s blesky mnohem většími: Na Venuši mají blesky celkovou energii 2×1010 J a na Jupiteru dokonce 3×1012 J.

CO JE TO PLAZMA?

Co je to plazma?

Učená definice nám o plazmatu říká: „Plazma je kvazineutrální soubor částic s volnými nosiči nábojů, který vykazuje kolektivní chování“. Pojďme si ji trochu polidštit. To nejdůležitější je, že se v plazmatu nachází volné nosiče náboje. Atomy jsou alespoň částečně ionizované. Stupeň ionizace nemusí být příliš veliký, je-li plazmový útvar dosti rozsáhlý. Právě volné nosiče náboje plazma zcela odlišují od plynů. Plazma je vodivé a silně reaguje na elektrická a magnetická pole. Druhá vlastnost je kvazineutralita. Požadujeme, aby v makroskopických objemech bylo vždy v průměru stejné množství kladných a záporných částic. Navenek se plazma jeví jako nenabitá tekutina (kapalina či plyn). Požadavek kvazineutrality vyčleňuje z definice plazmatu nabité svazky částic, které mají přece jen poněkud odlišné vlastnosti. Poslední součástí definice plazmatu je jeho kolektivní chování. Tím se rozumí, že plazma je schopné jako celek svými projevy generovat globální elektrická a magnetická pole a na takováto globální pole reagovat. Do plazmatu většinou nezahrnujeme různé svazky nabitých částic (nesplňují kvazineutralitu) a velmi slabě ionizované plyny – například plamen svíčky (nesplňují kolektivní chování). Pojem plazmatu poprvé použil Irwing Langmuir (1881-1957).

Plazmatické skupenství můžeme rozdělit ještě na několik dalších skupin:

• Běžné plazma: elektronové obaly atomů jsou částečně poškozené (vysokou teplotou nebo tlakem). Volné elektrony jsou zodpovědné za plazmatické vlastnosti látky.

• Termonukleární plazma: atomární obaly neexistují, látka je směsicí holých jader a volných elektronů. V tomto stavu je plazma v jádrech hvězd, kde probíhá TJ syntéza.

• Nukleonové plazma: vysokou teplotou nebo tlakem jsou rozrušena sama jádra atomů. Látka je směsicí elektronů, protonů a neutronů. Nukleonové plazma se ve vesmíru objevilo v časech 10−5 s po vzniku, kdy se z kvarků tvořily první protony a neutrony. Nalezneme ho také ve vnějších obalech explodující supernovy, kde jeho vznik vyvolá stlačení plynů rázovou vlnou. V obálce krátkodobě probíhají překotné termonukleární reakce vedoucí ke vzniku těžkých prvků.

• Kvark-gluonová plazma: při vysokých energiích jsou roztaveny samotné nukleony na své konstituenty – kvarky a gluony. V tomto stavu byla látka asi do deseti mikrosekund po vzniku vesmíru a uměle se podařilo tento stav látky vytvořit v CERNu v roce 2000. Přečtěte si podrobný článek.

Za plazma však již někteří autoři považují některé části ionosféry, zvláště vrstvu F, která odráží radiové vlny a umožňuje radiové spojení odrazem o ionosféru. Plazma se nachází vevan Allenových radiačních pásech. Sluneční vítr, nepřetržitý proud částic od našeho Slunce, ve kterém se nachází také naše Země, je opět plazmatem. V plazmovém skupenství jsou nitra i atmosféry hvězd, jádra galaxií, mlhoviny a většina objektů ve Vesmíru. Na Zemi se s plazmatem setkáváme v kanálech blesků, při různých výbojích a plazma je také uměle vytvářeno a zkoumáno v laboratořích.

Vláknité struktury v pozůstatku po explozi supernovy v Plachtách. Fotografie Davida Malina,
UK Schmidt Telescope, copyright: Anglo Australian Telescope Board, 1996.

Jaké jsou základní projevy plazmatu? Plazma má tendenci vytvářet lineární a plošné útvary – plazmová vlákna neboli pinče a proudové vrstvy neboli pinčové stěny. V plazmatu dochází k takzvaným driftům – pohybům částic kolmo na magnetická i další silová pole. Plazmatem se může šířit ohromné množství nejrůznějších vln – od magnetoakustických vln, ke kterým patří například známé Alfvénovy vlny, které jsou analogií zvukových vln v plynech až po elektromagnetické vlny mnoha různých modů. Tyto vlny jsou v plazmatu také snadno generovány. V plazmatu dochází k celé řadě nestabilit, které mají za následek například krátkodobé vyzáření značného množství energie doprovázené vznikem některých charakteristických struktur. K plazmatu neodmyslitelně patří vyzařování (rekombinační, brzdné a synchrotronní), vytváření elektrických dvojvrstev, urychlování nabitých částic na značné energie, magnetohydrodynamické dynamo produkující magnetické pole uvnitř Slunce a planet a mnoho dalších zajímavých jevů.

Člověk dnes snadno dokáže vytvořit plazma i v laboratoři . Nejtypičtější příklady jsou:

• laserové plazma – doba života: 10−12 ÷ 10−9 s

• pulsní plasma – doba života: 10−9 ÷ 10−6 s

• tokamak – doba života: 1 s

• studené plazma – doba života: hodiny, dni, roky

Stupeň ionizace plazmatu

Stupeň ionizace plazmatu (poměr počtu ionizovaných částic vůči celkovému počtu částic) je jedním z nejdůležitějších parametrů, který určuje chování plazmatu. Závisí především na teplotě a lze ho v prvním přiblížení odhadnout ze Sahovy rovnice pro jedenkrát ionizované plazma v termodynamické rovnováze

ni2/nn = C T 3/2 exp[−Ui/kT]  ;      C ~  2,4×1021 m−3 .

kde ni je koncentrace jednonásobných iontů, nn je koncentrace neutrálních částic, Ui je ionizační potenciál a T je teplota plazmatu. Sahova rovnice je použitelná pro plyny. Někdy se za jistý druh plazmatu považují i pevné látky (například kovy), které mají volné nosiče nábojů a vykazují kolektivní chování. Zde však počet volných nosičů náboje není určen Sahovou rovnicí.

Srážky

V plazmatu dochází také ke srážkám nabitých částic. Charakter srážek i jejich mechanismus je odlišný od srážek neutrálních částic. Při srážce neutrálních částic dochází k prudkým změnám směru pohybu, v plazmatu jsou změny směru, způsobené většinou elektrickým polem (~ 1/r2), méně náhlé.

Srážky v neutrálním plynu a v plazmatu

• Střední volnou dráhu můžeme definovat například jako průměrnou vzdálenost, při které dojde k odklonu od původního směru o 90°. S rostoucí teplotou účinný průřez srážek klesá - nabité částice se při vysokých teplotách míjejí velkou rychlostí, tím vzájemně na sebe působí krátkou dobu a odchylky od původních drah jsou malé.

• Elektrická vodivost plazmatu je dána charakterem srážek. Vodivost závisí především na teplotě (σ ~ T 3/2) a minimálně na koncentraci plazmatu. Průchodu proudu brání při nízkých koncentracích malý počet nosičů náboje, při vysokých koncentracích velký počet srážek. S rostoucí teplotou vodivost plazmatu roste (u kovů je tomu naopak), protože účinný průřez srážek klesá.

• Optická tloušťka (hustota) plazmatu souvisí se střední volnou dráhou fotonů v plazmatu. Za opticky řídké se označuje plazma takových rozměrů, které jsou srovnatelné se střední volnou drahou elektromagnetického záření, které plazmatem prochází. Opticky husté je takové plazma, jehož rozměry jsou mnohem větší, než je střední volná dráha fotonů, záření intenzivně interaguje s plazmatem.

JEVY V PLAZMATU

Pinčování

Nejtypičtější plazmatickou konfigurací jsou vlákna protékaná elektrickým proudem (pinče). Najdeme je v kanálech blesků, v protuberancích na Slunci i ve vzdálených mlhovinách a v jádrech galaxií. Tak jako jsou pro gravitační interakci charakteristické sférické struktury (hvězdy, globule, planety) tak jsou pro plazma charakteristické struktury válcové. Protékající proud generuje magnetické pole, které obtáčí pinč. Toto pole pinč stlačuje gradientem tzv. magnetického tlaku pm = B2/2μ a proti němu působí gradient tlaku látky a záření (ve hvězdách proti gradientu tlaku záření a látky působí gravitace). Přítomnost vláknitých struktur ve vesmíru tak zpravidla znamená přítomnost ionizované látky a magnetických polí.

Vlákno protékané proudem – pinč

Oscilace a vlny

Plazmatem se může velké množství nejrůznějších vln a oscilací. Bohatství těchto jevů je dáno reakcí plazmatu na elektrická a magnetická pole. O to jsou normální plyny ochuzeny a vlny šířící se plyny a kapalinami jsou jen zchudlými příbuznými desítek modů vlnění šířícího se plazmatem. Zhruba lze vlny rozdělit do dvou oblastí:

• Vlny nízkých frekvencí: Jedná se o vlny s frekvencí blízkou plazmové frekvenci iontů ωpi = (ne2/miε0)1/2. Tato frekvence představuje přirozenou frekvenci oscilací iontů. Vlny s podobnými frekvencemi nazýváme magnetoakustické vlny. Jde o analogii zvukových vln v normální látce, tentokrát ovlivněných přítomností magnetických polí. Zvuk se již šíří anizotropně a v několika vlnoplochách.

• Vlny vysokých frekvencí: Jedná se o vlny s frekvencí blízkou plazmové frekvenci elektronů ωpe = (ne2/meε0)1/2. Tato frekvence představuje přirozenou frekvenci oscilací elektronů. Jde o velké množství typů elektromagnetických vln šířících se plazmatem.

Drifty

Typickým pohybem nabitých částic jsou kružnice nebo šroubovice kolem silokřivek magnetického pole. Tomuto pohybu se říká Larmorova rotace (gyrace, cyklotronní pohyb). Frekvence pohybu se nazývá cyklotronní frekvence (ω = QB/m) a poloměr oběhu Larmorův poloměr (RL = mv/QB). Je-li v plazmatu přítomno další pole (například elektrické), které se málo mění v čase a prostoru ve srovnání s periodou a poloměrem Larmorovy rotace, dochází k driftům. Jde o odvalování nabitých částic kolmo na elektrické (nebo jiné) a magnetické pole po křivkách, které nazýváme trochoidy (speciálním příkladem je cykloida). Rychlost odvalování (driftu) je vD = F×B/QB2. Pro elektrické pole F = QE je velikost této rychlosti vD = E/B. Je velmi známým faktem, že podíl elektrického a magnetického pole je typickou rychlostí v daném systému. V elektromagnetické vlně je například E/B = c. V plazmatu jde o typickou rychlost odvalování částic.

Síla grad B

Nabité částice jsou vytlačovány z oblastí silnějších magnetických polí silou F = −μ grad B. Tato síla způsobuje například jev magnetických zrcadel, kdy jsou částice odráženy v oblastech s vyšší hustotou magnetických silokřivek do oblastí s nižší hustotou. Působí také na nabité částice rotující podle silokřivek magnetického pole Země, které byly zachyceny ze slunečního větru. V polárních oblastech, kde je pole silnější (silokřivky hustší) se částice odrážejí a putují podél silokřivky zpět. V místech odrazu částice září synchrotronním (brzdným) zářením.

Nestability

Plazma je jako pytel blech. V laboratořích nám vždy utíká právě tam kam nechceme. Mohou za to různé druhy nestabilit plazmatu, které se ve vesmíru mohou rozvinout ve velmi zajímavé útvary. O nestabilitách hovoříme tehdy, jestliže vlivem malé události (náhodné fluktuace, poruchy způsobené vnějšími vlivy, atd.) dojde k úplné změně konfigurace plazmatu. Uveďme si jen některé z nich:

Korálková nestabilita: Dojde-li k náhodnému zaškrcení plazmového vlákna protékaného osovým proudem, bude vzniklé magnetické pole toto zaškrcení prohlubovat až dojde k rozpadu vlákna na malé oblasti – korálky. Tato nestabilita je silně potlačena v helikálních pinčích, kde proud i magnetické pole mají obě válcové složky – axiální (osovou) i azimutální (obvodovou) a tvoří ve vlákně spirály.

Kink nestabilita: Dojde-li k náhodnému ohybu plazmového vlákna protékaného osovým proudem, bude vzniklé magnetické pole toto prohnutí prohlubovat. I tato nestabilita je částečně potlačena v helikálních pinčích.

Diocotronová nestabilita: Jestliže v pinči dojde z jakýchkoli důvodů k separaci elektrického náboje v radiálním směru, vzniká nenulové radiální elektrické pole, které spolu s axiálním magnetickým polem Bz způsobuje azimutální drift rychlostí vφ. Celý pinč začne rotovat diferenciální rotací (oblasti různě vzdálené od osy rotují různou rychlostí). Na povrchu pinče se stýkají dvě oblasti s různou rychlostí (rotující pinč a okolní prostředí) a může dojít k rozvoji nestability známé z proudění tekutin. Tuto nestabilitu nazýváme diocotronová nestabilita. Typickým způsobem modifikuje povrch pinče do vírových struktur.

PLAZMOVÁ VLÁKNA A STĚNY

Druhy plazmových vláken

Konkrétní příklady

Nejznámějšími proudovými stěnami jsou polární záře. V aurorální oblasti se vyskytují vertikální proudové stěny lokalizované cca na 70° jižní i severní světové šířky, tloušťka stěny je několik desítek kilometrů, lineární rozměry tisíce kilometrů. Stěna je orientována podél silokřivek zemského magnetického pole, které odpovídá axiální komponentě v cylindrickém pinči. Ve vrstvě probíhá výboj s proudovou hustotou ~ 30 μA/m2 generující vlastní magnetické pole se známými doprovodnými efekty jako jsou polární záře. První podrobnější průzkum pinčových stěn na Zemi provedla sonda TRIAD v roce 1976, první detekce pochází ale již z roku 1966 (navigační satelit 1963-38C). Polární záře jsou dnes dobře prozkoumanými plazmovými efekty nejen na naší Zemi. Na obrázku je fotografie polární záře na Saturnu z počátku roku 1998.

Téměř ihned poté, co sondy Voyager 1 a Voyager 2 vyfotografovaly činné vulkány na měsíci Io navrhl Gold (1979), že by sopečné plyny mohly být ionizovány a v jícnu sopky probíhat elektrický výboj, který je analogický výboji v koaxiálním urychlovači. Dnes již máme konkrétní údaje. Magnetické pole Jupiteru v oblasti měsíce Io má hodnotu 1 900 nT. Indukované elektromotorické napětí způsobené pohybem měsíce napříč silokřivek je 400 kV a detekovaný Birkelandův proud cca 1 MA. Uvolňovaný výkon tedy je ~0,4 TW! Je-li tento výkon rozdělen mezi několik největších vulkánů, pořád ještě zcela postačuje k udržování plazmového výboje a vytvoření plazmafokusu. Porovnejte fotografii vulkánu s tvarem proudové vrstvy laboratorního plazmafokusu.

Vláknité struktury jsou přítomné téměř ve všech mlhovinách. Svědčí o ionizaci látky a přítomnosti magnetických polí. Vlákny teče elektrický proud, který vytváří magnetické pole v okolí vlákna.

Porovnání pinče s hvězdou

Pokusme se nyní formulovat základní rozdíly rovnovážné konfigurace v gravitační interakci (hvězdy) a v elektromagnetické interakci (pinče):

Elektromagnetický kolaps

Plazmové vlákno je v rovnováze, je­li Lorentzova síla vyrovnávána gradientem tlaku látky. Tato podmínka platí pro rovnovážné konfigurace zcela obecně, tedy nejen pro pinče, a plyne z ní, že při rovnováze se proudočáry a magnetické silokřivky nacházejí v plochách s konstantním tlakem. Pro válcovou symetrii odvodil poprvé podmínku rovnováhy W. H. Bennett za předpokladu konstantní proudové hustoty v pinči. V pinčích, zejména laboratorních dochází k silnému Jouleovu ohřevu procházejícím proudem. Takto vzniklé teplo by zvyšovalo tlak v pinči a zabránilo vzniku rovnováhy. Vzhledem k tomu, že pinče jsou pozorovány jako relativně stabilní útvary, musí být teplo pinče odváděno. R. S. Pease a S. Braginskij navrhli, že v rovnováze je vznik Jouleova tepla plně kompenzován radiačními ztrátami. Záření pinče je pravděpodobně nejpodstatnějším mechanismem odvodu energie z pinče, který zabrání ohřevu pinče.

R. S. Pease a S. Braginskij odvodili nezávisle na sobě v roce 1957 teoretickou možnost elektromagnetického kolapsu pinče. Průchodem proudu pinčem je ohmicky uvolňována tepelná energie zahřívající pinč. Tato energie je odnášena ven zářením. Zářivý výkon s teplotou roste. Při vysokých hodnotách proudu, a tím vysokých teplotách, je odnášeno zářením takové množství energie, že dojde k porušení rovnováhy pinče, vnější magnetický tlak převáží tlak látky a plazmové vlákno začíná kolabovat k centru. Přitom se jeho teplota nezvyšuje, naopak může i poklesnout díky prudkému odvodu energie zářením. Tento kolaps může zastavit až tlak degenerovaného plynu elektronů nebo neutronů (kvantové jevy v superhusté látce). Scénář elektromagnetického kolapsu velmi připomíná závěrečná stádia vývoje hvězd – gravitační kolaps na bílého trpaslíka či neutronovou hvězdu (včetně závěrečného ochlazení). K elektromagnetickému kolapsu by mělo dojít pro proudy větší než je hodnota IPB ~ 1 MA odvozená Peasem a Braginskim. Tato hodnota nezávisí na tvaru a velikosti pinče. Jde o univerzální konstantu složenou z jiných základních konstant (permeability vakua, Boltzmannovy konstanty, Stefanovy-Boltzmannovy konstanty, ...).

Tato teoretická předpověď je značně problematická, protože předpoklady Peaseho-Braginského odvození nejsou nikdy přesně splněny. Odvození bylo provedeno pro opticky řídké plazma zářící pouze rekombinačními procesy, byla uvažována jen normální srážková vodivost plazmatu, vedení proudu může být v extrémních podmínkách ovlivněno různými anomálními jevy, odvod energie může probíhat jinými kanály než zářením (například rychlými elektrony z chvostu Maxwellova rozdělení). Základním problémem je, že před dosažením Peaseho-Braginského proudu se pinč zpravidla rozpadá v důsledku rozvoje nestabilit nebo se dělí na více pinčů menších. Možnost elektromagnetického kolapsu tak i dnes zůstává otevřená.

VLNY V PLAZMATU

Úvod

Vzhledem ke kolektivnímu chování plazmatu (eletrickým a magnetickým polím) se plazmatem může šířit široká řada oscilací a vln na akustických, radiových a optických frekvencích. Zhruba lze tyto vlny rozdělit do dvou skupin. První skupina souvisí s oscilacemi iontů (na obrázku červené křivky). Tyto vlny mají nízké frekvence. Jde o zvukové vlny ovlivněné přítomností magnetického pole. Někdy jim říkáme magnetoakustické vlny. Jejich typickou frekvencí je plazmová frekvence iontů:

ωpi = (ne2/miε0)1/2.

Druhá skupina souvisí s oscilacemi elektronů (modrá křivka na obrázku). Tyto vlny mají radiové či optické frekvence a souvisí s elektromagnetickými vlnami šířícími se plazmatem. Typickou frekvencí je plazmová frekvence elektronů:

ωpe = (ne2/meε0)1/2.

Magnetoakustické vlny

Exploduje-­li v normálním homogenním prostředí nálož, šíří se zvuková vlna v kulových vlnoplochách. Zvuk v plazmatu se chová odlišně. Samo plazma je anizotropní prostředí. To je způsobeno přítomností magnetického pole. Zvuková vlna je ovlivněna magnetickým polem, navíc se šíří anizotropním prostředím. Vlnoplochy nejsou kulové a mají komplikovanější tvar:

Na obrázku je znázorněno šíření zvukových vln, které je modifikováno přítomností magnetického pole (magnetozvukové, resp. magnetoakustické vlny). Jednotlivé mody vln se nazývají: Alfvénova vlna (AW), pomalá magnetická vlna (S) a rychlá magnetoakustická vlna (F). Na radiální ose polárního diagramu je vynášena fázová rychlost vf = ω/k, na axiální úhel α mezi směrem šíření a směrem magnetického pole B.

Elektromagnetické vlny

Podobně jako v jiných anizotropních prostředích se i v plazmatu štěpí elektromagnetická vlna na řádnou (O-Ordinary) a mimořádnou (X-eXtraordinary) vlnu. Jak je patrné z úvodního diagramu, šíří se řádná vlna jen na frekvencích vyšších než je plazmová frekvence elektronů. Na nižších frekvencích je plazma pro světlo neprůhledné. To je způsobeno tím, že elektrony na nižších frekvencích stihnou sledovat vnější podněty, rozkmitají se a absorbují energii elektromagnetické vlny. Tento jev dobře známe u radiových vln v naší ionosféře. Vlny vyšších frekvencí ionosférou procházejí, je pro ně průhledná, vlny nižších frekvencí nikoli. U mimořádné vlny je otázka průhlednosti plazmatu ještě složitější.

Šíření řádné vlny (O vlny)

Šíření mimořádné vlny (X vlny)

MAGNETICKÁ REKONEKCE

Úvod

Pokud se v poslední době hovoří o fyzice plazmatu, většinou diskuze sklouzne k přepojení magnetických silokřivek. Jde o jev, s jehož pomocí se daří vysvětlovat řadu dosud nepochopených dějů v plazmatu. Mezi ně patří například náhlá vzplanutí v koroně Slunce, jevy na hranici magnetosféry Země a meziplanetárního prostoru, jevy v atmosférách magnetarů, stejně tak jako jevy v laboratorním plazmatu. K přepojení magnetických silokřivek dochází na všech nám dostupných škálách.

Pro tento jev není zatím ustálený český název. Nejčastěji hovoříme o přepojení magnetických silokřivek, 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 topologii do jiné, energeticky výhodnější podoby. Při tom dojde k uvolnění energie, která zahřeje okolní plazma. Někdy natolik, že plazma zazáří i v RTG oboru. V každém případě však změna topologie magnetických silokřivek znamená zásadní změnu v chování plazmatu.

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 silokřivkami. V této oblasti vzniká tzv. difúzní region. Ten je charakteristický velmi nízkou hodnotou magnetického pole. Právě zde dojde ke změně topologie magnetických silokřivek, 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 silokřivky směrem do difúzního regionu (červené šipky na obrázku). Po přepojení je plazma vytlačováno ve směru původní orientace magnetických silokřivek. Podle tvaru magnetických silokřivek 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 silokřivek s periodicky se opakujícími body nulového pole tvaru X a O.

Po přepojení magnetických silokřivek 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 souvisícím s přepojením magnetických silokřivek patří výrony koronální hmoty (CME, Coronal Mass Ejection) 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 silokřivek a transformaci uvolněné energie do tepelné energie. Vznikne horký oblak hmoty zářící většinou v RTG 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.

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. CME dělíme podle měřené intenzity doprovodného RTG vzplanutí (X Ray Flare) na B, C, M a X.

Magnetosféra Země

K přepojení magnetických silokřivek dochází často dochází často v magnetosféře Země. Na denní straně (směrem ke Slunci) dochází ke styku magnetických silokřivek meziplanetárního magnetického pole a vlastního pole Země. Pokud jsou směry silokřivek opačné a od Slunce k nám proudí zvýšený tok slunečního plazmatu, může dojít k přepojení mezi oběma typy silokřivek. Nabité částice pak podél vzniklé otevřené silokřivky 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 silokřivek a vznik plazmoidu s vmrznutým polem. K přepojení magnetických silokřivek může dojít i tehdy, je-li směr meziplanetárního pole shodný se směrem silokřivek na denní straně. K přepojení silokřivek 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 silokřivek poprvé uvažoval James Dungey v roce 1961. Přepojení bylo přímo pozorováno družicí POLAR až v roce 2000. Měření byla doplněna o pozorování podmínek v plazmovém ohonu z družice Geotail.

Magnetary

Magnetary jsou neutronové hvězdy s extrémně silným magnetickým polem, které dosahuje hodnot až 1011 T. Jde o objekty s nejsilnějším známým polem ve vesmíru vůbec. Povrch magnetaru tvoří kůra z neutronů a magnetického pole, ve které dochází k opakovaným magnetotřesením. Magnetotřesením narušené a zprohýbané silokřivky 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 vzplanutí RTG nebo měkkého gama záření. Tyto nepravidelné RTG 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. Někdy dojde ke katastrofické rekonekci magnetických silokřivek 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.

Přepojení magnetických silokřivek je důležitým jevem, který se v přírodě uplatňuje častěji, než jsme si dosud mysleli. Pozorujeme ho jak v kosmickém, tak v laboratorním plazmatu a v posledních letech se magnetické přepojení dostalo oprávněně do popředí zájmu astronomů i plazmových fyziků.

PLAZMA VE VESMÍRU

Slunce

Na Slunci najdeme celou řadu příkladů vláknitých helikálních struktur s Birkelandovými proudy tekoucími podél silokřivek lokálních magnetických polí: protuberance (1011 A), spikule, koronální proudy, erupce a další. Slunce je zdrojem magnetického pole ve tvaru Archimédových spirál vytvořených rotací Slunce, do kterého je ponořena celá sluneční soustava. Oblast ovlivňovaná magnetickým polem Slunce se nazývá heliosféra. K hranici heliosféry (heliopauze) se v roce 2005 přiblížily sondy Voyager 1 a 2. Ze Slunce vychází nepřetržitý proud nabitých i neutrálních částic, který nazýváme sluneční vítr. průměrné pole Slunce je 10−4 T (1 gauss). Lokální pole ve skvrnách dosahují až 0,1 T (1 000 gauss).

Magnetosféry planet

Původní dipólové pole planety je deformováno interakcí se Slunečním větrem do charakteristického tvaru magnetosféry. V těsné blízkosti planety je zpravidla korotující plazmosféra, ve směru ke Slunci je rázová vlna, na které se skokem mění parametry Slunečního větru. Směrem od Slunce se táhne plazmový ohon. Plazmový systém ohraničuje hraniční vrstva magnetosféry. V polárních oblastech vytvářejí zachycené nabité částice charakteristické plošné výboje – polární záře. Proudy tečou v plochách podél silokřivek pole planety a jde o tzv. Birkelandovy proudy.

Magnetosféra Země: v korotující plazmosféře je teplota částic 1 eV, v plazmovém ohonu 1 až 10 keV, koncentrace částic je 0,5 cm−3. Plazmový ohon se táhne až do stonásobku poloměru Země a má tloušťku přibližně 20 poloměrů Země. Hraniční vrstva magnetosféry odděluje magnetické pole Země od okolí a má koncentraci částic 1 cm−3.

Magnetosféra Jupiteru je podobná magnetosférám ostatních planet. Navíc má tzv. plazmový torus. Měsíc Io svou sopečnou činností vyvrhuje plazma bohaté na síru, které podél celé jeho trajektorie vytváří rozsáhlý plazmový torus. Podél silokřivek magnetického pole planety Jupiter (kolmo na torus) tekou Birkelandovy proudy, které se uzavírají přes Měsíc Io a částečně ho zahřívají. Velikost těchto Birkelandových proudů se odhaduje na několik milionů Ampérů. Birkelandovy proudy  přispívají společně se slapovými silami k ohřevu Měsíce a udržování jeho sopečné činnosti.

Magnetosféra Saturnu má také plazmový torus, podobně jako Jupiter. Saturnův plazmový torus je největším plazmovým útvarem ve sluneční soustavě. Sahá od 15-ti násobku poloměru planety až do 25-ti násobku poloměru. V toru je přibližně 3 000 částic v jednom cm3.

Magnetosféry komet. Také komety mají své magnetosféry. Například u známé Halleovy komety bylo při posledním průletu naměřeno magnetické pole v ohonu 70 nT (700 mikrogaussů), koncentrace částic 1 000 v cm3 a teplota 1,5 eV (1 eV ~ 10 000 K). U komety Hyakutake z roku 1996 byla v ohonu nalezena propletená plazmová vlákna a družice ROSAT detekovala RTG záření vycházející z jádra.

Atmosféry planet

V atmosférách planet se plazmatu týkají především rozsáhlé ionizované oblasti – ionosféry. Z pozemské ionosféry je z plazmatického hlediska nejvýznamnější tzv. vrstva F (140 až 1 000 km, ve které dosahuje koncentrace ionizovaných částic až 106 v jednom cm3. V ionosféře Venuše byla detekována proudová vlákna s Birkelandovými proudy o délce až 20 km. Dalším zajímavým jevem jsou elektrostatické výboje v atmosférách – blesky. Typická energie pozemského blesku je 6×108 J, blesky na Venuši mají energie kolem 2×1010 J a na Jupiteru 3×1012 J.

V polárních oblastech dochází k plošným proudovým výbojům – polárním zářím. Na Zemi jsou často pozorovány podélné filamenty délky asi 100 m. Polární záře byly pozorovány i na Jupiteru a Saturnu.

Mlhoviny

V mnoha mlhovinách pozorujeme helicitní vláknité struktury. Zde nemáme přímá pozorování, která by potvrdila, že jde o filamenty s Birkelandovými proudy, ale existují nepřímé indicie: pozorování polarizovaného synchrotronního záření, které vzniká jedině v oblastech s magnetickými poli a detekce projevů vysoce energetických částic, které mohou být urychlovány právě v pinčové struktuře. Za plazma lze považovat i rozsáhlé oblasti neutrálního vodíku (H I oblasti). Stupeň ionizace je v těchto mlhovinách sice jen 10−4, ale vzhledem k jejich značným rozměrům postačí i tato koncentrace k markantnímu kolektivnímu chování (mlhovina reaguje na globální elektrická a magnetická pole).

Rozsáhlé vláknité struktury jsou pozorovány zejména v pozůstatcích po explozích supernov. Ze záření, které k nám přichází z Krabí mlhoviny, se usuzuje na přítomnost magnetického pole 16 nT.

Galaxie

V centru Galaxie je sledováno několik filamentů o délce asi 60 pc, které připomínají pokroucená lana a mají tedy helikální strukturu. Pravděpodobně jde také o plazmové útvary udržované magnetickým polem. Odhad velikosti polí a proudů je založen jen na nejisté rozměrové extrapolaci. Také v radiových galaxiích, aktivních jádrech galaxií a ve výtryscích kvasarů jsou pozorovány rozsáhlé vláknité struktury. Samy výtrysky kvasarů jsou horkým vysoce kolimovaným plazmatem.