Υπάρχουν Κρουστικά Κύματα στο Διάστημα;

Γενικά ένα κρουστικό κύμα εμφανίζεται όταν μια διαταραχή διαδίδεται με ταχύτητα που ξεπερνά την ταχύτητα διάδοσης πληροφορίας. Συγκεκριμένα, στην ατμόσφαιρα, η πληροφορία μεταδίδεται μέσω της αλλαγής στην πίεση του αέρα, αυτό που ονομάζουμε ήχο. Συνεπώς, η ταχύτητα μετάδοσης της πληροφορίας είναι αυτή του ήχου.

Για παράδειγμα, ένα αεροπλάνο (Εικόνα 1) που ταξιδεύει στον αέρα δημιουργεί ηχητικά κύματα. Όταν η ταχύτητα του αεροπλάνου είναι μικρότερη από αυτή της διάδοσης του ήχου (υποηχητική), τότε τα κύματα που παράγονται μεταφέρουν εγκαίρως την πληροφορία στα μόρια του αέρα που βρίσκονται μπροστά από το αεροπλάνο, τα οποία «παραμερίζουν» ώστε να περάσει (Εικόνα 2 – Αριστερά). Όταν όμως, η ταχύτητα του αεροπλάνου είναι μεγαλύτερη της ταχύτητας του ήχου (υπερηχητική), τότε τα μόρια του αέρα δεν προλαβαίνουν να ενημερωθούν για το αεροπλάνο (εμπόδιο). Αυτό προκαλεί σύγκρουση μεταξύ των ίδιων των μορίων του αέρα, και έτσι πολλά ηχητικά κύματα συμπιέζονται μεταξύ τους δημιουργώντας ένα κρουστικό κύμα (Εικόνα 2 – Δεξιά).

Στο Διαστημικό χώρο αντί για αέρα έχουμε πλάσμα (ιονισμένο αέριο). Και σε αυτή τη συνθήκη μπορούν να παρατηρηθούν κρουστικά κύματα. Το κοντινότερο σε εμάς είναι το λεγόμενο τοξοειδές κρουστικό κύμα (bow shock) που παρατηρείται σε απόσταση ~90,000 χιλιομέτρων έξω από την ατμόσφαιρα της Γης (Εικόνα 3). Το τοξοειδές κρουστικό κύμα δημιουργείται εξαιτίας της αλληλεπίδρασης των σωματιδίων του Ήλιου (υπερηχητικός ηλιακός άνεμος) με το μαγνητικό πεδίο της Γης. Κατά την αλληλεπίδραση αυτή, η ροή του ηλιακού ανέμου συμπιέζεται, θερμαίνεται και επιβραδύνεται απότομα.

Να σημειωθεί ότι τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία έχουν πολύ μεγαλύτερη επίδραση στη διαμόρφωση του διαστημικού χώρου γύρω από τη Γη, σε σχέση με τη γήινη ατμόσφαιρα. Η ύπαρξη ηλεκτρομαγνητικών πεδίων στο πλάσμα δημιουργεί και άλλες ταχύτητες πληροφορίας πέρα από του ήχου^[1]. Επιπλέον, για τον ηλιακό άνεμο, εμπόδιο στη ροή του αποτελεί το Γεωμαγνητικο πεδίο. Για αυτό άλλωστε, το κρουστικό κύμα σχηματίζεται αρκετά μακριά από την επιφάνεια της Γης.

Το φαινόμενο του τοξοειδούς κρουστικού κύματος είναι ιδιαίτερα σημαντικό από επιστημονικής και ερευνητικής σκοπιάς. Αποτελεί πηγή μελέτης για τους επιστήμονες που ερευνούν τα φαινόμενα που παρατηρούνται σε αυτήν τη πρώτη επαφή του ηλιακού ανέμου με το μαγνητικό πεδίο της Γης, αλλά και αργότερα όταν τα σωματίδια του ηλιακού ανέμου εισέρχονται στη μαγνητόσφαιρα (βλεπε Διαστημικός Καιρός).

Όπως είναι αναμενόμενο, κρουστικά κύματα παρατηρούνται και καθώς απομακρυνόμαστε περισσότερο από τη Γη. Μέσα στο διαστημικό χώρο, γύρω από άλλους πλανήτες, στα όρια του ηλιακού μας συστήματος (termination shock), σε εκρητικά φαινόμενα του Ήλιου (CMEs), αλλά και σε αστροφυσικά αντικείμενα που βρίσκονται έτη φωτός μακριά από εμάς (Supernova).

Η μελέτη των κρουστικών κυμάτων βοηθά στην κατανόηση και άλλων σχετικών φαινομένων όπως της επιτάχυνσης διαφόρων σωματιδίων (π.χ. του Ήλιου ή των κοσμικών ακτίνων), της παραγωγής ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων αλλά και του φαινομένου της μαγνητικής επανασύνδεσης (π.χ. μαγνητική επανασύνδεση στο στέμμα). Σήμερα πολλές ερευνητικές ομάδες ασχολούνται με τα παραπάνω φαινόμενα (π.χ. SPP-KTH, IRF-Uppsala, Vlasiator-Helsinki, UOA).

Περαιτέρω διάβασμα:

1) The Bowshock and Foreshock – Heli Hietala

2) Αλυσανδράκης, Κ., Νίντος, Α., Πατσουράκος, Σ., 2015. Φυσική του ήλιου και του διαστήματος. [ηλεκτρ. βιβλ.] Αθήνα: Σύνδεσμος Ελληνικών Ακαδημαϊκών Βιβλιοθηκών (Κεφάλαια 7 και 12)

3) Baumjohann, Wolfgang, and Rudolf Treumann. Basic Space Plasma Physics (Revised Edition). World Scientific Publishing Company, 2012. (Κεφάλαιο 8)

4) Balogh, André, and Rudolf A. Treumann. Physics of Collisionless Shocks: Space plasma shock waves. Springer Science & Business Media, 2013.

^[1] π.χ. τη ταχύτητα Alfvén (Hannes Alfvén – Βραβείο Νόμπελ 1970).