UiB : MatNat : Matematisk institutt : Forskningsgrupper

Plasmadynamikk

 

Et hovedfagstudium innen plasmadynamikk er knyttet opp mot forskningsaktiviteten innenfor dette området ved instituttet. Et meget stort antall kandidater har i årenes løp blitt uteksaminert med denne studieretningen. Hør mer med kontaktperson. I de senere år har forskningsaktiviteten innenfor plasmadynamikk vært innen magnetohydrodynamikk med relevans til fusjon og romrelaterte plasma og innen transportmodeller med utgangspunkt i kinetisk teori, også med relevans til laboratorie- og romplasma.

I de aller seneste år har forskningen for det meste vært knyttet til anvendelser innen det siste området med bruk av kinetisk teori/transport teori.

Tradisjonelt har problem knyttet til likevekt, stabilitet og transport av plasma i ulike magnetfeltkonfigurasjoner vært studert ( f.eks. fusjons problematikk). De samme metoder som benyttes her kan også brukes til studier av plasma i Jordens magnetosfære, et området det eksperimentelt miljø innen romfysikk ved Fysisk institutt, UiB er opptatt av, eller i studier av plasma som strømmer ut fra Solen (solvinden). Dette henger sammen med ESA (European Space Agency) relaterte prosjekt som CLUSTER- og SOHO prosjektene, der Norge deltar. Det er naturlig å se vår basale aktivitet innen teoretisk plasmadynamikk i dag i sammenheng med ESA-relatert forskning. De eksperimentelle aktiviteter trenger 'backing' fra teoretiske miljø som kan foreta ulike modelleringer av de observerte data og være med på å foreslå mekanismer som kan forklare det man ser. Solen og solvinden er i det alt vesentlige kilden til det plasma som er i vårt solsystem og er årsak til bl.a. prosesser i magnetosfæren. Her er det naturlig med samarbeid mot andre norske miljø for å studere slike og lignende problem. Opprettholdelse av internasjonal kontakt innenfor disse felt er en vesentlig oppgave. Ellers vil en peke på at plasmadynamikk er et viktig "instrument" for utdanning. Få disipliner kan vise til en så stor kontaktflate mot andre disipliner: Klassisk rasjonell mekanikk, statistisk og kinetisk teori, væskedynamikk, elektromagnetisme og termodynamikk for å nevne noen sentrale områder.

Vil du se et bilde av en tidlig norsk 'plasmafysiker', og en av hans eksperiment-maskiner? Ta da en titt på dagens 200 kr. seddel. Der ser du Kristian Birkeland, og ser du nøye etter, kan du se hans Terella maskin.

Hva er et plasma?

Plasmadynamikk er studiet av prosesser i plasma. Men hva er et plasma? Plasma kalles ofte materiens 4. tilstand: De tre klassiske tilstander er fast stoff-tilstanden, væske-tilstanden og gass-tilstanden, her nevnt i rekkefølge av økende temperatur. Økes temperaturen i en gass, la si fra noen tusen grader og oppover vil gassmolekyler og atomer splittes opp i ioner og elektroner, og etterhvert som temperaturen blir høy nok, gå over i en fullstendig plasma-tilstand der alle molekyler og atomer er ioniserte. Men selv en gradvis ionisering vil sterkt påvirke tilstanden til gassen: Elektrisk ladning og elektrisk stømning vil tidlig finne sted i plasmaet og vekselvirke med elektriske og magnetiske felt, og selv være kilde til slike felt. Dette er så forskjellig fra tilstandene fast stoff, væske og nøytral gass at det er dekning for å kalle det en egen tilstand. Typiske for plasma er derfor at en teoretisk beskrivelse fordrer både bruk av materieligninger (las si bevegelsesligninger, tilstandsligninger) og elektromagnetiske feltligninger (Maxwells ligninger), og at de er koplet sammen.

Hvor er det plasma i naturen?

I naturen ved jordoverflaten er det lite plasma. I lynutladninger har vi imidlertid et svakt ionisert plasma. Reiser vi oppover i atmosfæren møter vi imidlertid raskt på plasma, ionosfæren, skapt av solstrålingen, og jo høyere opp jo mer plasma-dominert er materien. Plasma fanges delvis inn i Jordens magnetfelt, og dette plasma står i sterk vekselvirkning med det plasma som strømmer ut fra Solen, den såkalte solvind. Solen er i plasmatilstand, og det er alle stjernene også, så det er mye plasmatilstand omkring oss! For å forstå store deler av sol- og astrofysikk er kjennskap til fundamentale prosesser i plasma derfor helt nødvendig.

Plasma forskning.

Store fremsskritt og forståelse innen plasmdynamikk henger sammen med det arbeid som har vært og er knyttet til laboratorieplasma. Forskjellige typer plasma studeres i laboratorer alt etter hva siktemålet med slikt arbeid er. I årtier har fusjonsplasma og forskning omkring muligheten for menneskeskapt kontrolert fusjon vært en pådriver i den internasjonale plasmaforskningen. Fusjon i denne sammenheng er sammensmelting av lette atomkjerner til tyngre med en enorm energigevinst, la si helium skapt av deutroner. For at prosessen skal komme igang må temperaturen være svært høy og da er materien i plasmatilstand. I de konsept for fusjonsmaskiner som har hatt mest suksess må plasmaet holdes sammen over lengre tid. Til det benyttes magnetfelt, mens det på Solen, og i stjernene, er gravitasjonsfeltene som holder den fusjonerende kjernen sammen. Fusjonsplasma i laboratorier har vist seg svært vanskelig å temme, men i de senere år et det gjort betydelige fremsskritt slik at det er grunn til å tro at om noen tiår vil en reaktor bygget på fusjon kunne stå ferdig. Disse reaktorer vil ikke være forurensende slik dagens atomreaktorer er.
Laboratorieplasma omfatter imidlertid ikke bare fusjonsplasma. Også romrelaterte plasmaeksperiment finnes det en god del av, men de aller fleste slike eksperiment og målinger utføres fra satelitter o.l.
Generelt er studier av plasma for en stor del på grunnforskningsplan: Studier av ulike transportmekanismer, bølgefenomen, som plasma er svært rik på, stråling og turbulens for å nevne noen felter, har stått sentralt og har påvirket annen forskning. Også stadig flere industrielle anvendelser gjøres av plasma. Det bør nevnes at det faktisk var en nordmann som gjorde en av verdens første (omkring 1900) romplasma eksperiment, nemlig Kristian Birkeland, spesielt med sitt Terella eksperimentet som har relevans til nordlysforskningen. En norske matematiker, Carl Størmer, gjorde i denne sammenheng beregninger av ladete partikkelbaner i Jordens magnetfelt. Vil du se et bilde av Birkeland og hans Terella maskin? Ta en titt på en 200- kroner seddel! - Norlysforkningen er på mange måter inngangen for Norges arbeid med romplasma, som idag spenner over et stort område, knyttet til Norges medlemskap i ESA.

Plasmabeskrivelse/modellering.

Koplingen mellom de elektromagnetiske ligninger (Maxwells ligninger) og bevegelses- og tilstands- ligningene kan gjøres på ulike nivå, og hva som er det mest hensiktmessige nivå vil variere med hva som skal studeres. Når det gjelder bevegelses ligninger vil en partikkelbeskrivelse i praksis bety at en typisk partikkelbevegelse blir forsøkt beskrevet, nemlig en bevegelse som er representativ for helheten (driftteori). I en såkalt væskebeskrivelse benyttes væskebegreper fra hydrodynamikk med de påplusninger som er nødvendig for å beskrive plasmaet, slik som ladningstetthet, elektrisk strømtetthet, og koplingen derigjennom opp mot Maxwells ligninger. Imellom en eksakt partikkelbeskrivelse, dvs. en beskrivelse av alle partikler i plasma (noe som i praksis er umulig) og en grov væskebeskrivelse, befinner den kinetiske beskrivelse seg. Sentralt her er de kinetiske lilgninger. Disse ligninger fremkommer ved bruk av statistiske betraktninger for å beskrive sannsynlig bevegelse og vekselvirkning i plasmaet med utgangspunkt i en eksakt partikkelbeskrivelse. Fra de kinetiske ligninger kan væskeligninger utledes ved midlingsprosesser. I plasma er det imidlertid mange prosesser som fordrer løsning av kinetiske ligninger, og studier innen plasmafysikk har således tilført kinetisk teori mye nytt de siste årtier.
En klassisk kinetisk ligning ble utledet av Boltzmann for over hundre år siden for beskrivelse av nøytrale gasser. Den sier hvordan gassens fordelingsfunksjon, en funksjon av partikkel-posisjon og hastighet (tilsammen 6 variable), forandrer seg i tid som følge av inhomogeniteter, ytre krefter og vekselvirkninger partiklene imellom. Fordelingsfunksjonen uttrykker grovt sett det sannsynlige antall partikler innenfor et faseromselement (liten 6 dimensjonal posisjon-hastighets boks). Denne ligning kan også benyttes for beskrivelse av noen plasmatilstander, men innen plasmafysikken har det vært nødvendig med mange modifiseringer får å fange opp fenomener nøytrale gasser ikke har. Fra den kinetiske ligning kan væske ligninger (Euler-nivå, Navier-Stokes nivå) som sagt utledes, men de antagelser som da gjøres er ofte ikke gyldig for plasmatilstander. Da kan det bli aktuelt å løse så langt det er mulig selve den kinetiske ligning.

Generaliseringer til andre fag.

Som mange andre felt innen mekanisk beskrivelse og modellering har også den kinetiske tankegang blitt tatt i bruk innenfor vidt andre felter, fra medisin til sosiale fag der for.eksempel vekselvirkning mellom 'individer' er fremtredende. Man tar da i bruk en generalisert Boltzmann ligning, men forståelsen av modelleringer her kan være vanskelig uten å ha trengt igjennom den klassiske anvendelsen.

Nytte av hovedfag med plasmadynamikk

Et studium innen plasmadynamikk, og spesielt med kinetiske betraktninger, gir studenter god innsikt i modellering som omfatter elektrodynamikk, klassisk mekanikk og bruk av analytiske og numeriske metoder. Et slikt grunnlag er svært nyttig med tanke på arbeid også innen andre områder som fordrer kjennskap til matematiske metoder og relevante, naturvitenskapelige (ofte fysiske) modelleringer.

Kontaktperson:

Professor Alf H. Øien. Han gir mer informasjon og tilrettelegger et hovedfagstudium innen plasmadynamikk

Andre norske plasma miljø:

Her er noen adresser: