西南研究院(SwRI)空間科學(xué)家最近發(fā)表的研究成果為預(yù)測(cè)太陽(yáng)耀斑和其他“太空天氣”事件的熱力學(xué)情況提供了新線索，這些事件涉及到熱、快速移動(dòng)的等離子體。統(tǒng)計(jì)力學(xué)是理解具有大量粒子(如氣體)現(xiàn)象的熱力學(xué)行為支柱之一。SwRI空間科學(xué)與工程分部的資深研究科學(xué)家George Livadiotis博士解釋說(shuō)：經(jīng)典統(tǒng)計(jì)方法已經(jīng)通過(guò)時(shí)間的考驗(yàn)來(lái)描述地球上的系統(tǒng)，比如組成空氣相對(duì)稠密的氣體混合物。在熱平衡狀態(tài)下，熱量在氣體粒子之間平均轉(zhuǎn)移，它們的分布就會(huì)下降到一個(gè)可預(yù)測(cè)的比率——大量的低速粒子到只有少量的快速粒子，這些粒子運(yùn)動(dòng)混亂，相互碰撞頻繁。

博科園-科學(xué)科普：一個(gè)被稱為Maxwell-Boltzmann或Maxwellian分布的統(tǒng)計(jì)方程準(zhǔn)確地描述了不同速度的粒子混合在地球上的分布情況。然而空間中的東西是不一樣的，它實(shí)際上不是空的，而是充滿了等離子體，也就是所謂的物質(zhì)的第四種狀態(tài)。等離子體由帶電粒子組成——它既不是氣體，也不是液體，也不是固體，盡管它經(jīng)常表現(xiàn)得像氣體。太空等離子體就像從太陽(yáng)向外流動(dòng)的太陽(yáng)風(fēng)，具有更高的快速移動(dòng)粒子比例。

與地球上的氣體不同的是，它們是“相關(guān)的”，它們大多朝同一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，因此彼此之間的碰撞更少。在這種情況下，Maxwellian分布模型不再適用。Livadiotis證實(shí)了一個(gè)單獨(dú)的統(tǒng)計(jì)方程“Kappa”更適用于空間現(xiàn)象。Kappa是描述粒子速度在熱平衡時(shí)的分布的數(shù)學(xué)方程，當(dāng)粒子速度之間存在相關(guān)性時(shí)，這是典型的無(wú)碰撞空間粒子系統(tǒng)。Kappa方程計(jì)算了當(dāng)快速移動(dòng)的粒子大量運(yùn)動(dòng)時(shí)，在熱平衡時(shí)粒子速度的分布，這是空間等離子體等粒子系統(tǒng)的典型情況。

Livadiotis說(shuō)，Kappa不僅能更好地預(yù)測(cè)空間等離子體粒子分布，而且能比Maxwellian模型更好地描述它們的熱力學(xué)行為，這與極熱的太陽(yáng)風(fēng)等離子體撞擊地球磁荷粒子保護(hù)層(即磁層)時(shí)的情況有關(guān)。Kappa的分布使得科學(xué)家們能夠第一次測(cè)量太陽(yáng)圈外的溫度，有了卡帕就能極大地提高我們對(duì)太空物質(zhì)性質(zhì)和性質(zhì)的理解，無(wú)論是太陽(yáng)風(fēng)、耀斑和日冕物質(zhì)拋射，還是像宇宙射線這樣罕見(jiàn)而極端的現(xiàn)象，其研究發(fā)表在《EPL》上，這是一探索物理學(xué)前沿的期刊。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來(lái)自：西南研究院?

參考期刊文獻(xiàn)：《?Europhysics Letters》（EPL）

DOI: 10.1209/0295-5075/122/50001

博科園-傳遞宇宙科學(xué)之美