알펜파

3. 알벤 속도

알벤파는 이온 자전 진동수에 비해 낮은 주파수에서 발생하는 플라스마 내 이온과 자기장의 진행 진동이다. 이온 질량 밀도는 관성을 제공하고, 자기력선 장력은 복원력을 제공한다. 알벤파는 자기장의 방향으로 전파되며, 이온의 움직임과 자기장의 섭동은 전파 방향에 수직이다. 그러나 경사각으로 존재하는 알벤파는 전파가 자기장에 수직일 때 자음파로 부드럽게 변환된다.^[2]

알벤파는 비분산성을 가진다. 자화된 플라스마의 저주파 상대 유전율 $\backslash varepsilon$는 다음과 같다.

:$$\backslash varepsilon\; =\; 1\; +\; \backslash frac\{c^2\backslash ,\backslash mu\_0\backslash ,\backslash rho\}\{B^2\}$$

여기서 $B$는 자기 선속 밀도이고, $c$는 광속, $\backslash mu\_0$는 투자율이며, 질량 밀도는 다음과 같다.

:$$\backslash rho\; =\; \backslash sum\_s\; n\_s\; m\_s\; ,$$

모든 종류의 하전된 플라스마 입자(전자뿐만 아니라 모든 유형의 이온)에 대해. 여기서 종 $s$는 입자 수 밀도 $n\_s$를 가지며 입자당 질량 $m\_s$를 가진다.

이러한 매질에서 전자기파의 위상 속도는 다음과 같다.

:$$v\; =\; \backslash frac\{c\}\{\backslash sqrt\{\backslash varepsilon\}\}\; =\; \backslash frac\{c\}\{\backslash sqrt\{1\; +\; \backslash dfrac\{c^2\; \backslash mu\_0\; \backslash rho\}\{B^2\}\}\}$$

알펜파의 경우

:$$v\; =\; \backslash frac\{v\_A\}\{\backslash sqrt\{1\; +\; \backslash dfrac\{v\_A^2\}\{c^2\}\}\}$$

여기서

:$$v\_A\; \backslash equiv\; \backslash frac\{B\}\{\backslash sqrt\{\backslash mu\_0\backslash ,\backslash rho\}\}$$

는 '''알펜파 군속도'''이다. (위상 속도에 대한 공식은 플라즈마 입자가 비상대론적 속도로 움직이고, 질량 가중 입자 속도가 기준 프레임에서 0이며, 파동이 자기장 벡터에 평행하게 전파된다고 가정한다.)

만약 $v\_A\; \backslash ll\; c$이면, $v\; \backslash approx\; v\_A$이다. 반면에, $v\_A\; \backslash to\; \backslash infty$일 때, $v\; \backslash to\; c$이다. 즉, 높은 장이나 낮은 밀도에서 알펜파의 군속도는 빛의 속도에 접근하고 알펜파는 일반적인 전자기파가 된다.

전자의 질량 밀도 기여를 무시하면, $\backslash rho\; =\; n\_i\; \backslash ,\; m\_i$이며, 여기서 $n\_i$는 이온 수 밀도이고 $m\_i$는 입자당 평균 이온 질량이므로, 다음과 같다.

:$$v\_A\; \backslash approx\; \backslash left(2.18\; \backslash times\; 10^\{11\}\backslash ,\backslash text\{cm\}\backslash ,\backslash text\{s\}^\{-1\}\backslash right)\; \backslash left(\backslash frac\{m\_i\}\{m\_p\}\backslash right)^\{-\backslash frac\{1\}\{2\}\}\; \backslash left(\backslash frac\{n\_i\}\{1~\backslash text\{cm\}^\{-3\}\}\backslash right)^\{-\backslash frac\{1\}\{2\}\}\; \backslash left(\backslash frac\{B\}\{1~\backslash text\{G\}\}\backslash right).$$

3. 1. 상대론적 효과

4. 알벤 시간

플라스마 물리학에서 알벤 시간($\backslash tau\_A$)은 파동 현상에 중요한 시간 척도이다. 이는 알벤 속도와 관련이 있으며, 다음과 같이 나타낼 수 있다.

:$\backslash tau\_A\; =\; \backslash frac\{a\}\{v\_A\}$

여기서 $a$는 시스템의 특징적인 크기를 나타낸다. 예를 들어 $a$는 토카막 토러스의 작은 반경일 수 있다.

5. 역사

• 1942년: 한네스 알벤은 네이처에 발표한 논문에서 전자기-유체역학적 파동의 존재를 제안했다.^[1]
• 1949년: S. 룬드퀴스트는 실험을 통해 자기화된 수은에서 알벤파를 생성하고, 그 속도가 알벤의 공식과 근사함을 확인했다. 같은 해, 엔리코 페르미는 우주선 이론에 알벤파를 도입했다.
• 1950년: 알벤은 저서 ''우주 전자기학'' 초판에서 유체역학적 파동을 상세히 설명하고, 실험실 및 우주 플라즈마에 대한 적용을 논의했다.
• 1952년: 윈스턴 보스틱과 모튼 레빈의 헬륨 이온화 실험에서 추가적인 확인이 이루어졌다.
• 1954년: 보 레너트는 액체 나트륨에서 알벤파를 생성했다.
• 1958년: 유진 파커는 성간 매질과 태양 코로나에서 태양풍으로 확장되는 유체역학적 파동을 제안했다. 같은 해, 아르거스 핵실험 후 이온층에서 알벤파가 감지되었다.
• 1959년: D. F. 제프콧은 가스 방전에서, C. H. 켈리와 J. 옌서는 주변 대기에서 알벤파를 생성했다.
• 1960년: 콜먼 등은 파이오니어 및 익스플로러 위성의 자력계를 통해 알벤파를 측정했다고 보고했다.
• 1961년: 스기우라는 지구 자기장에서 유체역학적 파동의 증거를 제시했고, 제임슨은 액체 나트륨에서 정상 알벤 모드와 공명을 연구했다.
• 1966년: R. O. 모츠는 수은에서 알벤파를 생성하고 관찰했다.
• 1970년: 한네스 알벤은 자기유체역학의 기초 연구와 발견으로 플라즈마 물리학의 다양한 분야에 응용한 공로로 노벨 물리학상을 수상했다.
• 1973년: 유진 파커는 은하간 매질에서 유체역학적 파동을 제안했다.
• 1974년: J. V. 홀웨그는 행성간 공간에서 유체역학적 파동의 존재를 제안했다.
• 1977년: 멘디스와 입은 코메트 코우테크의 코마에서 유체역학적 파동의 존재를 제안했다.
• 1984년: 로버츠 등은 태양 코로나에서 정상 MHD 파동의 존재를 예측하고 코로나 지진학 분야를 열었다.
• 1999년: 아슈반덴 등과 나카리아코프 등은 TRACE 위성의 극자외선 (EUV) 이미지를 통해 태양 코로나 루프의 감쇠 횡진동을 감지하고, 이를 루프의 정상 꼬임 (알벤) 진동으로 해석하여 로버츠 등의 이론적 예측을 확인했다.
• 2007년: 톰칙 등은 국립 태양 관측소의 코로나 다중 채널 편광계(CoMP) 기기를 사용하여 태양 코로나 이미지에서 알벤파를 감지했으나, 이후 코로나 플라즈마 구조의 꼬임파로 밝혀졌다. 같은 해, 히노데 우주 관측소의 특별호가 ''사이언스''에 발표되었고, 코로나 대기에서 알벤파 신호가 관찰되었다. 데 폰티에 등은 파동 관련 에너지가 태양 코로나를 가열하고 태양풍을 가속하기에 충분하다고 밝혔다.
• 2008년: 카가쉬빌리 등은 구동파 변동을 태양 코로나에서 알벤파를 감지하는 진단 도구로 사용했다.
• 2009년: 제스 등은 스웨덴 태양 망원경을 사용하여 구조화된 태양 크로모스피어에서 비틀림 알벤파를 감지했다.
• 2011년: 알벤파는 갈륨으로 만들어진 액체 금속 합금에서 전파되는 것으로 나타났다.
• 2017년: 스리바스타바 등이 수행한 3차원 수치 모델링은 스웨덴 태양 망원경으로 감지된 고주파(12–42 mHz) 알벤파가 태양 내부 코로나를 가열하기 위해 상당한 에너지를 전달할 수 있음을 보여주었다.
• 2018년: 스펙트럼 이미징 관찰 등을 사용하여, 그랜트 등은 크로모스피어 음영 대기의 외부 영역에서 타원 편광된 알벤파가 고속 모드 충격을 형성하는 증거를 발견하고, 이러한 알벤파 모드의 소산에 의해 제공되는 물리적 열의 정도를 처음으로 정량화했다.
• 2024년: 파커 태양 탐사선과 솔라 오비터 관측을 기반으로, 알벤파는 금성 궤도까지 태양풍 제트에서 예상보다 적은 에너지 손실의 원인으로 추정된다.

5. 1. 코로나 가열 문제와 알벤파 (1990년대 ~ 현재)

5. 2. 최근 연구 동향 (2000년대 ~ 현재)

참조

_[1] 논문 "Pressure change accompanying Alfvén waves in a liquid metal" 2003
_[2] 서적 Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion Springer International Publishing 2016
_[3] 논문 Linear waves in relativistic anisotropic magnetohydrodynamics 1993
_[4] 논문 Existence of electromagnetic–hydrodynamic waves 1942
_[5] 웹사이트 Chromospheric Spicules driven by Alfvén waves http://www.mpe.mpg.d[...] Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik 1997-12-18
_[6] 논문 Weakly damped Alfven waves as drivers of solar chromospheric spicules 1992
_[7] 논문 Alfven waves in the solar corona 2007
_[8] 논문 Alfvenic waves with sufficient energy to power the quiet solar corona and fast solar wind. 2011
_[9] 웹사이트 SDO spots extra energy in the Sun's corona http://www.nasa.gov/[...] NASA 2011-07-27
_[10] 논문 The influence of solar wind variability on magnetospheric ULF wave power 2015-06-08
_[11] 논문 Further investigation of the effect of upstream solar-wind fluctuations on solar-wind/magnetosphere coupling: Is the effect real? 2023-01-05
_[12] 논문 In situ observations of large-amplitude Alfvén waves heating and accelerating the solar wind 2024-08-30
_[13] 논문 Magneto-Hydrodynamic Waves in Liquid Sodium 1954-05-15
_[14] 논문 Alfvén Waves in a Gas Discharge 1959-06-13
_[15] 논문 Current Systems in the Vestigial Geomagnetic Field: Explorer VI 1960-02-15
_[16] 논문 Evidence of low-frequency hydromagnetic waves in the exosphere 1961-12
_[17] 논문 Alfvén Wave Generation in a Spherical System 1966
_[18] 논문 Hydromagnetic Waves in Interplanetary Space 1974
_[19] 논문 The ionospheres and plasma tails of comets 1977-03
_[20] 논문 Coronal oscillations http://inis.iaea.org[...] 1984
_[21] 논문 Coronal Loop Oscillations Observed with the Transition Region and Coronal Explorer http://eprints.gla.a[...] 1999
_[22] 논문 Alfvén Waves in the Solar Corona 2007-08-31
_[23] 논문 Detection of Waves in the Solar Corona: Kink or Alfvén? 2008
_[24] 논문 Science: 318 (5856) https://www.science.[...] 2007-12-07
_[25] 논문 Evidence for Alfvén Waves in Solar X-ray Jets 2007-12-07
_[26] 논문 Coronal Transverse Magnetohydrodynamic Waves in a Solar Prominence 2007-12-07
_[27] 논문 Chromospheric Alfvénic Waves Strong Enough to Power the Solar Wind 2007-12-07
_[28] 논문 Driven Waves as a Diagnostics Tool in the Solar Corona 2009
_[29] 논문 Alfvén Waves in the Lower Solar Atmosphere 2009-03-20
_[30] 논문 Experimental evidence of Alfvén wave propagation in a Gallium alloy 2011
_[31] 논문 High-frequency torsional Alfvén waves as an energy source for coronal heating 2017-03-03
_[32] 논문 Alfvén Wave Dissipation in the Solar Chromosphere 2018
_[33] 서적 디지털大辞泉 小学館 2022-01-16