aplicações de plasmas 2 plasmas espaciais e astrofísicos física de plasmas 01/2004

Aplicações de plasmas 2

Plasmas espaciais e astrofísicos

Física de Plasmas

01/2004

Estrelas são feitas de plasma

Nossa estrela: o Sol

• Massa = 1,99 x 1030 kg• Raio = 6,96 x 108 m• Distância média à Terra

= 1,49 x 1011 m

Estrutura do Sol

• Núcleo (muito denso = 10 x chumbo!)

• Envoltória radiativa• Envoltória convectiva• Fotosfera (Hélio foi

descoberto aqui!)• Cromosfera• Corona

Atmosfera do Sol: parte visível

• Fotosfera: disco visível T = 6000 K (poucos kms)

• Cromosfera: envolve a fotosfera T = 106 K (+ 100 km)

• Corona: T > 107 K (milhões de km) – visível nos eclipses

Energia do sol vem de reações de fusão nuclear no seu núcleo

• H + H He + n• energia = 3,27 MeV• raios gama e neutrinos• temperatura T = 107 K

no interior do sol• densidade n = 1020 m-3

• confinamento pelo campo gravitacional

Campo magnético solar• Sol tem um campo

magnético: 10-4 T• Manchas solares

(regiões mais frias na fotosfera): 0,1 T

• Ciclo de 11 anos

Corona é altamente turbulenta

imagem com luz visível imagem com raios-X

“Solar flares”

• jatos de plasma coronal emitidos acima das manchas solares em regiões de campo magnético complexo

• podem durar horas• tamanho da Terra

Vento Solar

• plasma de prótons e elétrons emitido pela corona no espaço interplanetário

• carregam as linhas de campo magnético

n = 5 x 106 m-3

T = 104 KB = 10-9 T

Magnetosfera

• o vento solar comprime o campo magnético terrestre criando uma “bolha” chamada magnetosfera

• compressão super-sônica (onda de choque)

• magnetopausa é a fronteira

Cinturão de radiação de Van Allen

• região dentro da magnetosfera onde partículas carregadas são confinadas pelo efeito espelho magnético do campo

r = m v/ q B B maior r menor

- descoberto em 1958pelo satélite Explorer I

Cinturão de Van Allen

• Cinturão interno: raios cósmicos• Cinturão externo: partículas do vento solar

Ionosfera Terrestre

• Ionosfera: região atmosférica acima de 60 km de altura

Plasma da Ionosfera Terrestre

• Partículas do ar mais ionizadas durante o dia devido ao UV e raios-X solares

• densidade é função da altura (devido à absor-ção da radiação)

Ionosfera

• ondas eletromagnéti-cas são refletidas pelo plasma ionosférico

• a camada ionosférica sobe durante a noite

• facilita a propagação de ondas de rádio pela atmosfera

Aurora

• ocorre nas regiões ionosféricas polares

• luz produzida por moléculas do ar excitadas por partícu-las de alta energia de origem cósmica e do vento solar aprisiona-das pelo campo magnético terrestre

Mecanismo da Aurora

• partículas aprisionadas pelo campo magnético terrestre são refletidas pelo efeito espelho perto das regiões polares

• é por isso que a aurora só ocorre perto dos pólos magnéticos

Aurora boreal

• maior parte das auroras não é visível• auroras aparecem mais à noite e durante tempestadesmagnéticas• Fairbanks (Alaska): aurora em uma a cada três noites durante o inverno polar

Plasma interestelar

• plasma de baixa densidade n = 104 a 108 m-3

• baixa temperatura T = 102 a 104 K

• campo magnético baixo B = 10-9 T

Nebulosa da Águia

• todas as regiões visí-veis e a maioria das regiões de baixa densidade são domi-nadas por plasmas

• colunas escuras domi-nadas por gás frio e neutro

• berçário de estrelas

Supernova

• Explosão de uma estrela

• causa a formação de uma onda de choque que transporta plasma interestelar pelo Universo

Nebulosa da Hélice

• magnetosferas estelares causadas por “ventos solares” (fluxo de plasma interestelar) vindo da parte sudoeste da fotografia

Nebulosa do Cisne

• interação de múltiplas ondas de choque de plasma interestelar com plasma estruturado da própria nebulosa

Evolução estelar

• Estrelas irradiam energia obtida por fusão de H He

• Com o tempo a estrela consome seu estoque de H e esfria

• O raio da estrela vai esfriando pelo aumento da atração gravitacional

Anãs brancas

• A contração da estrela pára quando a pressão gravitacional é equilibrada pela degenerescência (Princípio de Pauli)

• A estrela vira uma anã branca se sua massa for menor que 1,4 x massa do Sol

Outros fenômenos de plasma interestelar

• fluxos de raios-X provenientes de estrelas de nêutrons = provenientes de colapso gravitacional de estrelas velhas

• pulsares = estrelas radiantes pulsantes = estrelas de nêutrons com alta rotação emitindo radiação de síncrotron

• fenômenos de plasma nas imediações de buracos negros