Brzina zvuka u svemiru i druge nedoumice

Jedan od istraživačkih ciljeva Sunčeve sonde Parker je razjasniti mehanizam nastanka i razvoja Sunčevog vjetra. Konkretno pitanje je, primjerice, kako Sunčev vjetar postiže nadzvučnu brzinu. Nadzvučnu!? Pa zar u svemiru (praznom prostoru) uopće ima zvuka? Da bismo to razumjeli treba nešto malo znati o jednom astrofizičkom pojmu i dosta toga o više osnovnih fizičkih pojmova.

Jedan astrofizički pojam: Sunčev vjetar
Sunce je zvijezda. U usporedbi sa Zemljom ono je ogromno svemirsko tijelo, kuglasto i tekuće. Prosječna gustoća Sunca odgovara gustoći meda. Ta divovska medena lopta je, osim toga, jako vruća: u središtu joj je oko 15 milijuna, a na površini oko šest tisuća stupnjeva Celzijusa. Na tim temperaturama tvar – kod Sunca su to uglavnom vodik i helij – više nije u obliku atoma. Svi atomi su razbijeni u svoje sastavne dijelove, elektrone i jezgre. Jezgra vodika je proton, a jezgra helija alfa-čestica. Takvu vruću juhu elektrona, protona i alfa-čestica nazivamo plazmom. Zvijezda je, dakle, velika kugla vruće plazme.

U skladu s našom intuicijom, nešto jako vruće i tekuće nema glatku mirnu površinu nego, naprotiv, vrlo neravnu i uzburkanu površinu čiji djelići neprekidno odlijeću u okolni prostor. Tako je i kod Sunca. Dio plazme stalno se izbacuje s površine Sunca, u međuplanetarni prostor. Koliko? Sitnica: oko milijun i pol tona u sekundi. Ta otpuhnuta plazma je Sunčev vjetar.

Kako se točno formira Sunčev vjetar i kako se razvija na svojem putu od Sunca prema planetima, to uglavnom znamo. Ali ne znamo sve detalje. A detalji su bitni. Ne iz čisto akademskih razloga, zato što nas naprosto zanima ili zato što neki dosadni profesor na tome gradi svoju karijeru. Bitni su i iz praktičnih razloga. Sunčev vjetar je usmjereno gibanje nabijenih čestica, po definiciji on je električna struja. A električna struja je izvor magnetskog polja. Struja, i polje koje ta struja stvara, nisu zanemarivi. Oni dolaze do Zemlje i na Zemlji mogu stvarati probleme. Srećom, Zemljino magnetsko polje je prirodni štit od Sunčevog zračenja, ali taj štit nije svemoćan. Osim toga, sve naše svemirske letjelice izložene su Sunčevom vjetru. Naročito su izloženi budući putnici na interplanetarnim letovima. Nije nam Mars toliko fizički daleko (u pravu je Fil Tilen) koliko je daleko zbog dugotrajne izloženosti eventualnih putnika Sunčevom vjetru.

Osnovni fizički pojmovi: gustoća, tlak i temperatura
Materiju izbačenu sa Sunca u okolni prostor možemo opisati fizičkim veličinama kojima uobičajeno opisujemo fluide (plinove i tekućine): gustoćom, tlakom i temperaturom. Te veličine nisu neovisne, povezane su matematičkim izrazom koji nazivamo jednadžbom stanja. U krajnje pojednostavljenoj situaciji: kad su sve čestice iste i neutralne, kad je uspostavljeno ravnotežno stanje, kad nema vanjskih utjecaja, kad je gibanje čestica ograničeno zatvorenom posudom, kad nema međusobnih interakcija čestica… tada je i jednadžba stanja vrlo jednostavna. Toliko jednostavna da ju mora savladati svaki srednjoškolac. Radi se o jednadžbi stanja idealnog plina.

U stvarnoj astrofizičkoj situaciji sve je puno zamršenije. Gustoća, tlak i temperatura mijenjaju se s vremenom i različiti su u različitim točkama prostora. Osim toga, Sunčev vjetar čine električki nabijene čestice, a usmjereno gibanje nabijenih čestica je električna struja. A električna struja stvara magnetsko polje. A nabijene čestice se u magnetskom polju ne gibaju slobodno nego na njih djeluje Lorentzova sila. Sve u svemu, vrlo komplicirano. I nije teško samo konstruirati jednadžbu stanja i riješiti ju. Netrivijalno je, za one kojima to nije profesija, razumjeti osnovne fizičke pojmove u takvom kontekstu.

U školskom primjeru idealnog plina imamo stalni broj istovrsnih, neutralnih čestica koje ne međudjeluju i koje su zatvorene u posudu stalnog obujma. Masena gustoća je tada broj čestica puta masa jedne čestice kroz obujam posude. I to je konstanta. Jednostavno. No, kod Sunčevog vjetra nema zatvorene posude. Na dio prostora možemo se ograničiti tek u mislima, pa onda s obujmom tog prostora podijeliti masu svih čestica koje su u nekom trenutku tamo nalaze. No, u idućem trenutku imat ćemo drukčiju gustoću. I tako za svaki djelić volumena u cijelom međuplanetarnom prostoru koji nas zanima.

Još je gore s tlakom. U modelu idealnog plina tlak je opet konstanta koju dobijemo tako da zbroj promjena količina gibanja (a to je umnožak mase i brzine) svih čestica koje, u jedinici vremena, udaraju u stijenke posude podijelimo s tom jedinicom vremena i s ukupnom ploštinom stijenki posude. No, kod Sunčevog vjetra nema zatvorene posude. Nema stijenki. Intuitivna predodžba tlaka pada u vodu. Ipak, fizičari mogu precizno i objektivno definirati tlak i u astrofizičkoj situaciji, što naravno dobrano izlazi iz našeg okvira “fizike za pjesnike”.

Temperatura je pak priča za sebe. U modelu idealnog plina to je opet konstantna veličina koja je proporcionalna prosječnoj kinetičkoj energiji čestica. To nije teško pojmiti. Svaka čestica ima neku stalnu brzinu, u odnosu na stijenke posude, sve dok ne udari u stijenku. Sudari su savršeno elastični tako da je i brzina nakon odbijanja poznata. Ne gibaju se sve čestice istim brzinama, no to nije bitno. Svaka ima svoju brzinu pa stoga i svoju kinetičku energiju. Zbroj svih kinetičkih energija podijelimo s brojem svih čestica pa dobijemo prosječnu kinetičku energiju. Nju pomnožimo s konstantom proporcionalnosti pa dobijemo apsolutnu temperaturu, onu koju mjerimo u kelvinima. Opet, kod Sunčevog vjetra nema zatvorene posude pa je pitanje koje ćemo sve čestice obuhvatiti za računanje prosječne energije, koja sad više nije samo kinetička. I u odnosu na što ćemo mjeriti brzinu pojedine čestice. A najvažnije od svega: koncept temperature je statistički. Vrijedi za mnoštvo čestica. Jedna čestica, sama za sebe, nema temperaturu. U Bugovom tekstu Kako to da se NASA-ina sonda u blizini Sunca neće rastaliti? nespretno je sročeno: “pa će ova sonda imati zadatak ‘braniti’ se od pojedinačnih i relativno rijetkih čestica visoke temperature”. Te pojedinačne i relativno rijetke čestice u odnosu na sondu imaju veliku brzinu pa onda i veliku kinetičku energiju. I opasne su, naravno. Ali pojedinačne čestice nemaju temperaturu, kao što nemaju ni boju, ni miris, ni okus.

Još osnovnih fizičkih pojmova: brzina i zvuk
Spomenuo sam brzinu u odnosu na sondu. Brzinu možemo odrediti i u odnosu na Sunce ili u odnosu na Zemlju. U svakom slučaju, brzina je relativan pojam. Dakle, pojedinačna čestica nema ni brzinu ako ne postoji neka druga (stručno se kaže referentna) čestica s obzirom na koju određujemo brzinu. Referentnu česticu, ili tijelo, ili sustav, treba izabrati eda bismo mogli govoriti o brzini pa onda i o kinetičkoj energiji.

Sam medij – voda, zrak ili materija od koje se sastoji Sunčev vjetar – može biti referentni sustav s obzirom na koji određujemo gibanje ili brzinu. Kroz medij se može gibati drugo tijelo, ali se može gibati i poremećaj samoga medija. Poremećaj medija koji putuje kroz medij nazivamo valom. Jedan primjer vala je zvuk – periodično titranje koje se širi kroz elastični medij. Brzina kojom zvuk putuje ovisi o svojstvima medija i može se izračunati iz odnosa tlaka i gustoće. Svakom mediju, pa tako i Sunčevom vjetru, možemo pridružiti njegovu brzinu zvuka, čak i ako zvuka stvarno nema. To je dakle brzina kojom bi se širio zvuk kroz medij. Drugim riječima, brzina zvuka je jedna od karakteristika medija. I to karakteristika koja nije tako lokalna kao što su lokalni gustoća, tlak i temperatura.

Zato fizičari vole govoriti o brzini zvuka kad razmatraju Sunčev vjetar. Nije važno širi li se stvarno zvučni val ili ne. Ako se i širi, nije važno što ga nitko ne sluša. Važno je to što je brzina zvuka jedan parametar kojim se opisuje razmatrani sustav. I taj parametar važan za kategorizaciju stanja sustava. Ako se, primjerice, Sunčev vjetar giba brzinom (u odnosu na Sunce) koja je po iznosu veća od brzine zvuka (u mediju Sunčevog vjetra) onda govorimo od nadzvučnoj brzini. Pitanje kako Sunčev vjetar postiže nadzvučnu brzinu važno je za razumijevanje procesa koji određuju razvoj Sunčeva vjetra. A razumijevanje procesa daje mogućnost predviđanja što je pak ključno za svemirsku prognozu koja bi, za čovječanstvo, jednoga dana mogla biti od životne važnosti.

Izvor

You may also like...

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *