موجات آلفن Alfven waves هي شكل خاص من الموجات الكهرمغنطيسية التي تواتراتها منخفضة جداً لا يزيد حدها الأعظمي على بضع عشرات الهرتزات (الهرتز اهتزازة واحدة في الثانية). وتنتشر هذه الموجات في الموائع شديدة النقل للكهرباء والواقعة تحت تأثير حقل مغنطيسي. وتعطى خواصها في فهم حديث هوالديناميكا المائية المغنطيسية magnetohydrodynamics الذي يضم مجموعة الظواهر المرتبطة بحركات جميع مائع ناقل واقع في حقل مغنطيسي. ويمكن حتى يُعد هذا الفهم تعميماً generalization لتحريك الموائع وتحريك الهواء التقليديين حين يُنظر في الآثار المغنطيسية الجديدة للتفاعل بين حركات الناقل والحقل المغنطيسي، وهي آثار تُضاف إلى قوى أصلها ميكانيكي صرف. لذلك تسمى موجات آلفن أيضاً موجات تحريكية مائعية مغنطيسية، أوباختصار موجات مائعية مغنطيسية (HM) ويمكن حتى تكون هذه الموائع سوائل كالزئبق والصوديوم المصهور مثلاً. وقد اختير هذان السائلان، مع وجود سوائل أخرى ذات ناقلية كافية، وحين أجريت محاولة لتوليد موجات آلفن وملاحظتها في تجارب مختبرية كان نجاحها صعباً. ويعود أبرز آثار تحريك الموائع المغنطيسي عملاً إلى الحالات التي يتكون فيها الوسط الناقل من بلازما كهرمغنطيسية، أي من غاز كثيف أومتخلخل (ينتهي إلى خلاء مضغوط بعض الشيء) ولكنه متأين تأيناً شديداً. وخلافاً لأنواع البلازما (الكثيفة وفي الحرارة العالية جداً) التي تستخدم بالمختبر في تجارب الإندماج النووي الحراري، فإن أنواع البلازما، التي تُبيِّن بأفضل صورة الضوء الذي تقوم به هذه الموجات في الطبيعة، هي تلك البلازمات الكونية والجيوفيزيائية (الغاز بين الكواكب أوفي الغلاف الجوي الخارجي أوالغلاف المغنطيسي والبلازمات التي تدخل في التكوينات الشمسية والنجمية).

وقد تنبأ بهذه الموجات لدواع نظرية قبل أي تحقيق تجريبي مباشر، الفيزيائي الفلكي السويدي هانس آلفن (1908 - 1995) الأستاذ في معهد الثقافة الملكي في ستوكْهُلْم، وكان يسعى في عام 1940 إلى حتى يتفهم ظواهر مغنطيسية كونية، فتوصل إلى تحليل السيرورات في تحريك الموائع المغنطيسي التي تحدث في عددٍ كبيرٍ من الأوساط الكونية، وأثبت بذلك أنه في أوساط كهذه ينبغي حتى تؤدي حركات المادة المكوِّنة للجزء الناقل من البلازما دائماً إلى إنزياحات موافقة لخطوط قوى الحقل المغنطيسي، وهذه الفرضية، التي تسمى «الحقل المجمد في المادة»، فرضية تُمكّن، بصورة فضلى، من إظهار تحريك الأمكنة التي تشغلها البلازما بردِّ هذا التحريك، بتقريبٍ أولي، إلى منظومة ميكانيكية صرفة سواء أكانت صلبة أم سائلة أم غازية.

وقد بيَّن آلفن في البدء أنه يمكن حتى تنقُل البلازما موجات عرضية يجب حتى تترجح فيها الانزياحات الصغيرة للبلازما والحقل المغنطيسي الضئيل المشّوش (الذي يُضاف اتجاهياً إلى الحقل الرئيسي) في اتجاه عمودي على الحقل المغنطيسي الرئيسي، وتعبر خطوط قوة هذا الحقل تشوهات عرضية كما هوالحال في انتشار اهتزازات عرضية على طول قضيب مرن أووتر مهتز.

وتبيَّن كذلك، بفضل بحوث نظرية لباحثين كثيرين اعتماداً على مبادئ مشابهة، أنه يمكن التنبؤ باهتزازات طولية، وتكون الانزياحات الصغيرة للبلازما في هذه الحالة عمودية أيضاً على الحقل المغنطيسي الرئيسي، ولكنها تُحدث ضغطاً أوتخلخلاً محلياً (مع زيادة أونقصان محليين في الحقل المغنطيسي الرئيسي). وتنتقل هذه الانزياحات والانضغاطات وتنتشر عمودياً على الحقل المغنطيسي الرئيسي موازية لنفسها، كما هوالأمر في انتنطق موجة منضغطة متخلخلة في غاز.

وسواء أكانت هذه الاهتزازات عرضية أم طولية فإنها تنتشر بلا تبدد (أي لا تتغير سرعتها بتغير تواترها). وتقوم سرعة الموجة من النمط الأول التي تسمى سرعة آلفن VA بدور أساسي، إذ إذا الأنماط الأخرى لا تختلف عنها بوجه عام إلا قليلاً، ويمكن حتى تُستنتج منها بسهولة، ويمكن التعبير عن VA بالصيغة

حيث يشير H على الحقل المغنطيسي مقدراً بالغوْص، وr على الكتلة الحجمية للبلازما مقدرة بالغرام/سم3، وتقدر حينئذ بالواحدة سم/ثا. وتقوم موجات آلفن التي يمكن حتى تبلغ سرعتها نحو1000كم/ثا في بعض مناطق الغلاف المغنطيسي الأرضي بدور مهم في النظريات الحالية التي تُعالج «النبضات المغنطيسية» وكيفية انتنطق مختلف أنماط الاضطرابات نحوالأرض (مثل موجات الصدم والترجحات المغنطيسية أوالحركية المرتبطة بالريح الشمسية) والتي تأتي من الفضاء بين الكواكب أومن حدود الغلاف المغنطيسي. مثال ذلك الاضطرابات المعروفة باسم بداية عاصفة مغنطيسية فجائية Storm Sudden Commencement (SSC).

وتجدر الإشارة أخيراً إلى أنه حين كانت تجري دراسات مباشرة تتصل بتحريك الموائع المغنطيسي، تطورت نظرية عامة في انتشار الموجات في البلازما، وذلك من أجل التواترات التي هي أكبر كثيراً بوجه عام من التواترات التي نحن بصددها. وتبيِّن هذه النظرية العامة حتى مختلف الموجات ترتبط بالموجات التي اكتشفها آلفن والتي يمكن حتى تعد حالات حدية للموجات التي تتنبأ بها المعادلات العامة (التي يسميها الرياضيون حالات تردٍ أوتنكس degeneration)، وذلك عندما ينخفض التواتر أكثر فأكثر. وفي هذا التوضيح النظري تفسير لمفارقةٍ هي حتى أحد الفصول الأكثر أهمية في الفيزياء الحالية اكتُشف عن طريق الظواهر الكونية، في حين كان يمكن التفكير في أنه يؤّلف منذ وقت طويل معارف عادية لفيزيائيين تجريبيين.

سرعة آلفن

The low-frequency permittivity ${\displaystyle \epsilon \,$ of a magnetized plasma is given by

${\displaystyle \epsilon =1+{\frac {c^{2 \mu _{0 \rho {B^{2 ~,$

where ${\displaystyle B}$${\displaystyle \rho =\Sigma n_{s m_{s \,$ is the total mass density of the charged plasma particles. Here, ${\displaystyle s\,$ goes over all plasma species, both electrons and (few types of) ions.

Therefore, the velocity of an electromagnetic wave in such a medium is

${\displaystyle v=c/{\sqrt {\epsilon ={\frac {c {\sqrt {1+{\frac {c^{2 \mu _{0 \rho {B^{2 ~,$

أو

${\displaystyle v={\frac {v_{A {\sqrt {1+v_{A ^{2 /c^{2 ~,$

where

${\displaystyle v_{A ={\frac {B {\sqrt {\mu _{0 \rho$

is the Alfvén velocity. If ${\displaystyle v_{A \ll c$, then ${\displaystyle v\approx v_{A$. On the other hand, when ${\displaystyle v_{A \approx c$, then ${\displaystyle v\approx c$. That is, at high field or low density, the velocity of the Alfvén wave approaches the speed of light, and the Alfvén wave becomes an ordinary electromagnetic wave.

Neglecting the contribution of the electrons to the mass density and assuming that there is a single ion species, we get

${\displaystyle v_{A ={\frac {B {\sqrt {\mu _{0 n_{i m_{i ~~$ in SI

${\displaystyle v_{A ={\frac {B {\sqrt {4\pi n_{i m_{i ~~$ in CGS

${\displaystyle \qquad \ \approx (2.18\times 10^{11 \,{\mbox{cm/s )\,(m_{i /m_{p )^{-1/2 \,(n_{i /{\rm {cm ^{-3 )^{-1/2 \,(B/{\rm {gauss )$

where ${\displaystyle n_{i \,$ is the ion number density and ${\displaystyle m_{i \,$ is the ion mass.

الحالة النسبية

The general Alfvén wave velocity is defined by

${\displaystyle v={\frac {c {\sqrt {1+{\frac {e+P {2P_{m ~,$

حيث

${\displaystyle e}$${\displaystyle P\ll e\approx \rho c^{2$, and we immediately get the expression from the previous section.

التاريخ

كيف أصبحت هذه الظاهرة مفهومة:

• 1942: Alfvén suggests the existence of electromagnetic-hydromagnetic waves in a paper published in Nature.
• 1949: Laboratory experiments by S. Lundquist produce such waves in magnetized mercury, with a velocity that approximated Alfvén's formula.
• 1949: Enrico Fermi uses Alfvén waves in his theory of cosmic rays. According to Alex Dessler in a 1970 Science journal article, Fermi had heard a lecture at the University of Chicago, Fermi nodded his head exclaiming "of course" and the next day, the physics world said "of course".
• 1950: Alfvén publishes the first edition of his book, Cosmical Electrodynamics, detailing hydromagnetic waves, and discussing their application to both laboratory and space plasmas.
• 1952: Additional confirmation appears in experiments by Winston Bostick and Morton Levine with ionized helium
• 1954: Bo Lehnert produces Alfvén waves in liquid sodium
• 1958: Eugene Parker suggests hydromagnetic waves in the interstellar medium
• 1958: Berthold, Harris, and Hope detect Alfvén waves in the ionosphere after the Argus nuclear test, generated by the explosion, and traveling at speeds predicted by Alfvén formula.
• 1958: Eugene Parker suggests hydromagnetic waves in the Solar corona extending into the Solar wind.
• 1959: D. F. Jephcott produces Alfvén waves in a gas discharge
• 1960: Coleman, et al., report the measurement of Alfvén waves by the magnetometer aboard the Pioneer and Explorer satellites
• 1960: Sugiura suggests evidence of hydromagnetic waves in the Earth's magnetic field
• 1966: R.O.Motz generates and observes Alfven waves in mercury
• 1970 Hannes Alfvén wins the 1970 Nobel Prize in physics for "fundamental work and discoveries in magneto-hydrodynamics with fruitful applications in different parts of plasma physics"
• 1973: Eugene Parker suggests hydromagnetic waves in the intergalactic medium
• 1974: Hollweg suggests the existence of hydromagnetic waves in interplanetary space
• 1974: Ip and Mendis suggests the existence of hydromagnetic waves in the coma of Comet Kohoutek.
• 2007: Tomczyk, et al., report the detection of Alfvén waves in images of the solar corona with the Coronal Multi-Channel Polarimeter (CoMP) instrument at the National Solar Observatory, New Mexico.
• 2007: Alfvén wave discoveries appear in articles by Jonathan Cirtain and colleagues, Takenori J. Okamoto and colleagues, and Bart De Pontieu and colleagues. De Pontieu’s team also shows that the energy associated with the waves is sufficient to heat the corona and accelerate the solar wind. These results appear in a special collection ofعشرة articles, by scientists in Japan, Europe and the الولايات المتحدة, in theسبعة December issue of the journal Science.

المصادر

طاهر تربدار. "آلفن (موجات ـ(". الموسوعة العربية. Retrieved 2009-06-24.

انظر أيضاً

• اندماج نووي
• بلازما
• ديناميكا الموائع المغنطيسية

للاستزادة

Related research papers

• Alfvén, H. "Cosmic Plasma". Holland. 1981.
• Alfvén, H. "Existence of electromagnetic-hydrodynamic waves", Nature (1942) Vol. 150, pp. 405
• Berthold, W. K.; Harris, A. K.; Hope, H. J., "World-Wide Effects of Hydromagnetic Waves Due to Argus" (1960), Journal of Geophysical Research, Vol. 65, p.2233
• Bostick, Winston H.; Levine, Morton A., "Experimental Demonstration in the Laboratory of the Existence of Magneto-Hydrodynamic Waves in Ionized Helium", Physical Review (1952), vol. 87, Issue 4, pp. 671–671
• Coleman, P. J., Jr.; Sonett, C. P.; Judge, D. L.; Smith, E. J., "Some Preliminary Results of the Pioneer V Magnetometer Experiment", Journal of Geophysical Research (1960), Vol. 65, p.1856
• Dessler, A. J., "Swedish iconoclast recognized after many years of rejection and obscurity," Science (1970) , vol. 170, p. 604
• Fermi, E., "On the Origin of the Cosmic Radiation", Physical Review (1949), vol. 75, Issue 8, pp. 1169–1174
• Hollweg, J. V., "Hydromagnetic waves in interplanetary space", Astronomical Society of the Pacific, Publications (1974), vol. 86, Oct. 1974, p. 561-594.
• Ip, W.-H.; Mendis, D. A., "The cometary magnetic field and its associated electric currents", Icarus (1975), vol. 26, Dec. 1975, p. 457-461.
• Jephcott, D.F., "Alfvén waves in a gas discharge", Nature, (1959) vol.183, p.1653
• Lehnert, Bo, "Magneto-Hydrodynamic Waves in Liquid Sodium", Physical Review (1954), vol. 94, Issue 4, pp. 815–824
• Lundquist, S., "Experimental Investigations of Magneto-Hydrodynamic Waves", Physical Review (1949), vol. 76, Issue 12, pp. 1805–1809
• Otani, N. F., "Application of Nonlinear Dynamical Invariants in a Single Electromagnetic Wave to the Study of the Alfvén-Ion-Cyclotron Instability", Physics of Fluids 31, 1456-1464 (1988).
• Parker, E. N.,

• "Suprathermal Particle Generation in the Solar Corona", Astrophysical Journal (1958), vol. 128, p.677
• "Hydromagnetic Waves and the Acceleration of Cosmic Rays", Physical Review (1955), vol. 99, Issue 1, pp. 241-253
• "Extragalactic Cosmic Rays and the Galactic Magnetic Field", Astrophysics and Space Science (1973), Vol. 24, p.279

• Silberstein, M., and N. F. Otani, "Computer simulation of Alfvén waves and double layers along auroral magnetic field lines", Journal of Geophysical Research 99, 6351-6365 (1994). (PDF)
• Sugiura, Masahisa, "Some Evidence of Hydromagnetic Waves in the Earth's Magnetic Field", Physical Review Letters (1961), vol. 6, Issue 6, pp. 255–257
• Cramer, N. F., and S. V. Vladimirov, "Alfvén Waves in Dusty Interstellar Clouds". PASA, 14 (2).
• Otani, N. F., "The Alfvén ion-cyclotron instability, simulation theory and techniques". Journal of Computational Physics 78, 251-277 (1988).
• Falceta-Gonçalves, D. and Jatenco-Pereira, V., "The Effects of Alfvén Waves and Radiation Pressure in Dust Winds of Late-Type Stars". Astrophysical Journal, 576, 976 (2002).
• Motz, R.O., "Alfven Wave Generation in a Spherical System", Physics of Fluids, 9, 411-412, (1966)
• S. Tomczyk, S. W. McIntosh, S. L. Keil, P. G. Judge, T. Schad, D. H. Seeley and J. Edmondson, "Waves in the Solar Corona", Science Magazine, Vol. 317. no. 5842, pp. 1192–1196, (2007)

وصلات خارجية

Related websites

• Mysterious Solar Ripples Detected Dave Mosher 2 September 2007 Space.com
• special issue
• EurekAlert! notification: "Scientists find solution to solar puzzle"