La velocidad del sonido en el espacio tiene múltiples significados porque el espacio no es un vacío (aunque la densidad numérica de la magnetosfera de la Tierra puede ser ~6-12 órdenes de magnitud más tenue que los mejores vacíos producidos en los laboratorios), está lleno de partículas ionizadas, polvo neutro y cargado .

En el medio interplanetario o IPM, hay cinco velocidades relevantes que pueden considerarse un tipo de sonido en cierto modo, porque cada una está relacionada con la velocidad de transferencia de información en el medio.

Las "velocidades del sonido"

Velocidad del sonido

Dado que un plasma puede actuar colectivamente como un fluido, puede tener una velocidad de sonido en la forma clásica de$C_{s}^{2} = \partial P/\partial \rho$, dónde$P$es la presión térmica y$\rho$es la densidad de masa. En un plasma, esto toma la forma ligeramente alterada de:

$$C_{s}^{2} = \frac{ k_{B} \left( Z_{i} \ \gamma_{e} \ T_{e} + \gamma_{i} \ T_{i} \right) }{ m_{i} + m_{e} }$$ dónde $k_{B}$es la constante de Boltzmann , $Z_{s}$es el estado de carga de las especies $s$, $\gamma_{s}$es el índice adiabático o politrópico de especies $s$, $m_{s}$es la masa de especies $s$, y $T_{s}$es la temperatura media de las especies $s$. En un plasma tenue, como el que se encuentra en el IPM, a menudo se supone que $\gamma_{e}$= 1 (es decir, isotérmico) y $\gamma_{i}$= 2 o 3, o eso $\gamma_{e}$= 1 y $T_{e} \gg T_{i}$. La forma anterior de la velocidad del sonido se conoce como la velocidad del sonido acústico iónico porque es la velocidad de fase a la que se propagan las ondas acústicas iónicas lineales . De este modo, $C_{s}$es un tipo legítimo de velocidad del sonido en el espacio.

Velocidad de Alfvén

La velocidad de Alfvén se define como:

$$V_{A} = \frac{ B_{o} }{ \sqrt{ \mu_{o} \ \rho } }$$ dónde $B_{o}$es la magnitud del campo magnético ambiental cuasiestático, $\mu_{o}$es la permeabilidad del espacio libre , y $\rho$es la densidad de masa del plasma (que es aproximadamente equivalente a la densidad de masa de iones a menos que sea un par de plasma). Esta velocidad se asocia típicamente con ondas transversales de Alfvén , pero la velocidad es relevante para la transferencia de información en plasmas.

Ondas de sonido magnetizadas

En un fluido magnetizado como un plasma, hay fluctuaciones que son compresivas por lo que comprimen el campo magnético en fase con la densidad, llamadas ondas magnetosónicas o de modo rápido. La velocidad de fase para una onda de modo rápido viene dada por:

$$2 \ V_{f}^{2} = \left( C_{s}^{2} + V_{A}^{2} \right) + \sqrt{ \left( C_{s}^{2} + V_{A}^{2} \right)^{2} + 4 \ C_{s}^{2} \ V_{A}^{2} \ \sin^{2}{\theta} }$$ dónde $\theta$es el ángulo de propagación con respecto a $\mathbf{B}_{o}$.

Velocidades térmicas

También están las velocidades térmicas en las que uno piensa a menudo con respecto a los gases. En un plasma, existe una velocidad térmica para cada especie de partícula, por ejemplo, electrones e iones. La velocidad rms unidimensional viene dada por:

$$V_{Ts}^{rms} = \sqrt{\frac{ k_{B} \ T_{s} }{ m_{s} }}$$ dónde $s$puede ser $e$(electrones) o $i$(iones). La velocidad tridimensional más probable , que viene dada por: $$V_{Ts}^{mps} = \sqrt{\frac{ 2 \ k_{B} \ T_{s} }{ m_{s} }}$$

Responder

La razón por la que el viento solar se vuelve supersónico es en realidad un misterio y una gran parte de la motivación de la misión Solar Probe Plus . Una de las teorías originales era que el cambio en la proporción de la$B_{o}/n_{o}$con el aumento de la distancia de la superficie solar provocó un efecto similar al de una boquilla de Laval . Hay varios otros aspectos que complican las cosas (es decir, múltiples distribuciones de partículas no maxwellianas), pero más recientemente, las ondas de Alfvén se han propuesto como el posible mecanismo de aceleración.

Por qué las subpoblaciones de partículas en un plasma pueden volverse supersónicas es un misterio menor. Existen varios mecanismos de interacciones onda-partícula, aceleración de Fermi , diferentes tipos de aceleración de choque, etc.

Una vez supersónico, un gas no necesariamente tiene ninguna razón para disminuir la velocidad a menos que encuentre un obstáculo, ya sea un cuerpo sólido (por ejemplo, un asteroide) o un fluido que fluye más lentamente. Sin alguna fuerza/resistencia que impida, no hay razón para que un gas no pueda mantener una velocidad supersónica. Las ondas de choque en un fluido de colisión, como la atmósfera de la Tierra, no duran mucho porque "chocan" con un fluido que se mueve más lentamente, lo que impide su propagación.