Какова скорость звука в космосе?

Question

Какова скорость звука в космосе?

Физика
акустика
астрофизика
плазменная физика
термодинамика
межзвездное вещество

Джош Гловер

Учитывая, что пространство не является идеальным вакуумом, какова скорость звука в нем? Google не очень помог в этом отношении, так как единственный ответ, который я нашел, был $300\,{\rm km}\,{\rm s}^{-1}$ , из Astronomy Cafe , который не является источником, который я бы хотел процитировать.

Physics_maths

Вопрос в том, можно ли вообще определить «звук» в пространстве (или в среде с очень низким давлением).

dmckee --- котенок экс-модератор

Связанный: physics.stackexchange.com/questions/48574/…

dmckee --- котенок экс-модератор

@LoveLearning Ответ на этот вопрос: «Мы назовем это« звуком », если он может быть когерентно передан в этой среде», и условием для этого является «длина волны, намного превышающая средний свободный путь». Итак, могут существовать достаточно низкочастотные звуки.

Геррит

Учитывая, что солнечный ветер может быть сверхзвуковым, в космосе наверняка существует что-то, что в некоторых областях считается звуком.

Дж...

по теме: en.wikipedia.org/wiki/Bow_shock

Кайл Оман

@BrandonEnright это просто неправильно...

Гэвин Коутс

«В космосе никто не услышит твой крик».

Джош Гловер

@GavinCoates, правда, но, согласно ответу Кирана, при наличии подходящего оборудования они просто смогут обнаружить ваш крик. ;)

Дэвид Хаммен

@JoshGlover - ответ Кейрана неверен. Я настоятельно рекомендую вам отказаться от принятия этого ответа. Подумайте вместо того, чтобы принимать ответ Пелы или Кайла.

Дэвид Хаммен

Что касается того, чтобы услышать крик в космосе, это невозможно. Максимально возможная частота звука в газовой среде имеет длину волны, примерно равную длине свободного пробега. В межпланетном пространстве вблизи Земли длина свободного пробега составляет около одной астрономической единицы, а скорость звука порядка 10–100 км/с. Это соответствует частоте около одного цикла в месяц. Это на много-много октав ниже частоты крика.

Боб Джарвис - Слава Україні

@DavidHammen - это зависит от того, кто / что кричит. :-О

Любознательный

@David Hammen Спасибо, что прояснили это. Когда люди говорят о «звуке в космосе», они автоматически думают о том, что могут слышать. Очень интересное уточнение.

Марк С

@DavidHammen Ооо! Это абсолютно увлекательно.

Ответы (7)

Какова скорость звука в космосе?

Вопрос в том, можно ли вообще определить «звук» в пространстве (или в среде с очень низким давлением).
Связанный: physics.stackexchange.com/questions/48574/…
@LoveLearning Ответ на этот вопрос: «Мы назовем это« звуком », если он может быть когерентно передан в этой среде», и условием для этого является «длина волны, намного превышающая средний свободный путь». Итак, могут существовать достаточно низкочастотные звуки.
Учитывая, что солнечный ветер может быть сверхзвуковым, в космосе наверняка существует что-то, что в некоторых областях считается звуком.
@BrandonEnright это просто неправильно...
«В космосе никто не услышит твой крик».
@GavinCoates, правда, но, согласно ответу Кирана, при наличии подходящего оборудования они просто смогут обнаружить ваш крик. ;)
@JoshGlover - ответ Кейрана неверен. Я настоятельно рекомендую вам отказаться от принятия этого ответа. Подумайте вместо того, чтобы принимать ответ Пелы или Кайла.
Что касается того, чтобы услышать крик в космосе, это невозможно. Максимально возможная частота звука в газовой среде имеет длину волны, примерно равную длине свободного пробега. В межпланетном пространстве вблизи Земли длина свободного пробега составляет около одной астрономической единицы, а скорость звука порядка 10–100 км/с. Это соответствует частоте около одного цикла в месяц. Это на много-много октав ниже частоты крика.
@DavidHammen - это зависит от того, кто / что кричит. :-О
@David Hammen Спасибо, что прояснили это. Когда люди говорят о «звуке в космосе», они автоматически думают о том, что могут слышать. Очень интересное уточнение.
@DavidHammen Ооо! Это абсолютно увлекательно.

пела · Answer 1

По многочисленным просьбам (учитывая, что два из них популярны — спасибо @Rod Vance и @Love Learning), я немного расширим свой комментарий к ответу @Kieran Hunt:

Тепловое равновесие

Как я сказал в комментарии, понятие звука в космосе играет очень важную роль в космологии: когда Вселенная была очень молода, темная материя, нормальная («барионная») материя и свет (фотоны) находились в тепловом равновесии, т.е. у них одинаковая (средняя) энергия на частицу или температура. Эта температура была настолько высока, что нейтральные атомы не могли образовываться; любой электрон, захваченный протоном, вскоре будет сбит фотоном (или другой частицей). Сами фотоны не могли улететь очень далеко, пока не столкнулись со свободным электроном.

Скорость звука в первобытном бульоне

Все было очень гладко, никаких галактик или чего-то подобного не образовалось. Тем не менее, материал все еще был немного комковатым, и комки увеличивались в размерах из-за гравитации. Но по мере роста сгустка давление барионов и фотонов увеличивается, противодействуя коллапсу и выталкивая барионы и фотоны наружу, в то время как темная материя стремится оставаться в центре сверхплотности, поскольку ей все равно на давление. Это создает колебания или звуковые волны с чрезвычайно длинными волнами.

Для фотонного газа скорость звука равна

\begin{array}{rcl} с_{с} & знак равно & \sqrt{п / р} \\ знак равно & \sqrt{с^{2} / 3} \\ ≃ & 0,58 с, \end{array}

$\begin{array}{rcl} c_\mathrm{s} & = & \sqrt{p/\rho} \\ & = & \sqrt{c^2/3} \\ & \simeq & 0.58c, \end{array}$ куда

c

$c$ это скорость света, а

p

$p$ а также

ρ

$\rho$ - давление и плотность газа. Иными словами, скорость звука в то время была больше половины скорости света (для высоких температур к этому есть небольшая поправка порядка

10^{- 5}

$10^{-5}$ ; Партови 1994 ).

В нерелятивистской среде скорость звука равна $c_\mathrm{s} = \sqrt{\partial p / \partial \rho}$ , что для идеального газа сводится к формуле, данной @Kieran Hunt. Хотя в космосе оба $p$ а также $\rho$ чрезвычайно малы, есть $are$ частиц и, следовательно, имеет смысл говорить о скорости звука в пространстве. В зависимости от окружающей среды она обычно оценивается в несколько километров в секунду (т.е. намного выше, чем на Земле, но намного, намного меньше, чем в ранней Вселенной).

Рекомбинация и развязка

По мере расширения Вселенной она постепенно остывает. В возрасте примерно 200 000 лет он достиг температуры ~ 4000 К, и протоны и электроны начали объединяться, образуя нейтральные атомы, без немедленной повторной ионизации. Это называется «эпохой рекомбинации», хотя ранее они не объединялись.

В ~380 000 лет, когда температура была ~3000 К, большая часть Вселенной была нейтральной. Когда свободные электроны исчезли, фотоны теперь могли течь свободно, рассеиваясь и уменьшая избыточную плотность своего давления. Говорят, что фотоны отделяются от барионов.

Космический микроволновый фон

Излучение, которое отделилось, с тех пор смещается в красную сторону из-за расширения Вселенной, и, поскольку Вселенная теперь расширилась примерно в 1100 раз, мы видим свет (называемый космическим микроволновым фоном, или реликтовым излучением) не с температурой 3000 К (который была температура Вселенной во время разделения), но температура (3000 K) / 1100 = 2,73 K, что является температурой, на которую @Kieran Hunt ссылается в своем ответе.

Барионные акустические колебания

Эти сверхплотности, или барионные акустические колебания (БАО), существуют в гораздо больших масштабах, чем галактики, но галактики имеют тенденцию слипаться в этих масштабах, которые с тех пор расширились и теперь имеют характерный масштаб ~100. $h^{-1}$ Мпс, или 465 миллионов световых лет. Измерение того, как расстояние между сгустками изменяется со временем, дает возможность понять историю расширения и ускорения Вселенной независимо от других методов, таких как сверхновые звезды и реликтовое излучение. И красиво, методы все согласны .

немного не по теме, но я чувствую, что мне нужно пройти курс астрофизики частиц :)
Не все ли мы… :) Ты имеешь в виду, чтобы понять ответ, или вообще?

Кайл Оман · Answer 2

Просто хочу отметить, что большинство ответов, кажется, занимают «пространство», чтобы быть хорошей однородной средой. Однако даже в нашей собственной галактике условия сильно различаются. Вот наиболее распространенные среды в Млечном Пути:

молекулярные облака, $\rho\sim 10^4\,{\rm atom}/{\rm cm}^3$ , $T\sim 10\,{\rm K}$
Холодная нейтральная среда, $\rho\sim 20\,{\rm atom}/{\rm cm}^3$ , $T\sim 100\,{\rm K}$
Теплая нейтральная среда, $\rho\sim 0.5\,{\rm atom}/{\rm cm}^3$ , $T\sim 10^4\,{\rm K}$
Теплая ионизированная среда, $\rho\sim 0.5\,{\rm atom}/{\rm cm}^3$ , $T\sim 8000\,{\rm K}$
ХII регион, $\rho\sim 1000\,{\rm atom}/{\rm cm}^3$ , $T\sim 8000\,{\rm K}$
Горячая ионизированная среда, $\rho\sim 10^{-3}\,{\rm atom}/{\rm cm}^3$ , $T\sim \;{>}10^6\,{\rm K}$

Скорость звука пропорциональна $\sqrt{T}$ . Учитывая, что температура изменяется примерно на 7 порядков (максимум около $10^7\,{\rm K}$ , минимум около $3\,{\rm K}$ ), скорость звука изменяется не менее чем в $1000$ . Скорость звука в теплой области порядка $10\,{\rm km}/{\rm s}$ .

Общая информация: скорость звука играет решающую роль во многих астрофизических процессах. Эта скорость определяет время, необходимое волне давления для распространения на заданное расстояние. Одним из мест, где эта ключевая шкала времени является гравитационный коллапс. Если время пересечения звука газовым облаком превышает время гравитационного свободного падения (время распространения гравитационного возмущения), давление не может противостоять гравитационному коллапсу, и облако движется к созданию более компактного объекта (более плотного облака). , или, если условия верны, звезда).

Еще мелочи: космос является очень плохим носителем (не носителем) высокочастотных звуков, потому что волна давления с самой высокой частотой, которая может быть передана, имеет длину волны около средней длины свободного пробега (MFP) частиц газа. МФУ в космосе большие, поэтому ограничение по частоте низкое .

+1. Это ответ на этот вопрос. Горячая внутрикластерная среда может быть даже горячее, чем элементы в вашем списке, вплоть до $10^8$ кельвин. Молекулярное облако с высокой металличностью не ионизировано и может содержать некоторые достаточно массивные соединения. Вы можете легко добавить еще один порядок к этому коэффициенту 1000.
Несмотря на то, что звук в космосе распространяется быстрее, чем в земной атмосфере, считается, что космический вакуум плохо переносит звук. Это потому, что волны давления в космосе будут в основном отражаться, когда они сталкиваются с твердыми объектами, или потому, что они будут преобразованы в тепло, когда они сталкиваются с твердыми объектами, или потому, что они преобразуются в тепло по пути?
@supercat Какие твердые объекты? Пространство в среднем очень пустое! Космос является очень плохим носителем (не носителем) высокочастотных звуков, потому что волна давления с самой высокой частотой, которая может быть передана, имеет длину волны, равную средней длине свободного пробега частиц газа. МФУ в космосе большие, поэтому ограничение по частоте НИЗКОЕ.
Я имел в виду идею о том, что кто-то в космическом корабле вряд ли услышит много шума снаружи. Вы говорите, что, хотя скорость звука выше, она далеко не достаточно высока, чтобы сделать любые звуки звуковой частоты значимыми, учитывая большое расстояние между участвующими частицами?
@supercat, ты путаешь здесь две вещи. Скорость звука — это одно. Частоты, которые может переносить жидкость, — это другое. Частоты, которые может передавать ISM, намного ниже нижнего предела человеческого слуха. Это не означает, что звуки не имеют смысла или что они не существуют. Просто у них низкие частоты.
@supercat это связано с низким акустическим сопротивлением пространства - дело не столько в том, что пространство плохо переносит звук, сколько в том, что звук от объекта в пространство трудно передать и наоборот. При такой низкой плотности количество энергии, которое межзвездная среда может поглотить от вибрирующего объекта или передать другому объекту, очень мало. Для него просто нет атомов, даже если температура (и, следовательно, скорость звука) довольно высока.
Совершенно эластичная бегущая вилка в космосе будет вибрировать гораздо дольше, чем в атмосфере, потому что окружающая среда уносит ее энергию намного медленнее. Но именно перенос энергии и составляет передачу звука.
+1, замечательный ответ. Чего я не понимаю: горячая нейтральная среда горячее горячей ионизированной среды?
@hobbs: Как напомнил мне Кайл, понятие «импеданс» в среде передачи звука имеет смысл только на частотах, которые низки по сравнению с частотой взаимодействия частиц. Для того чтобы камертон, вибрирующий с частотой 440 Гц, передал какую-либо значимую информацию о своей частоте, в него должно попасть намного больше, чем 440 частиц в секунду [регулярной выборки с частотой 880 было бы достаточно; Я не уверен, как описать информацию, передаваемую случайными образцами].
@PeterHorvath не может сказать, что астрономы особенно хороши в терминологии :/
@Kyle Вы должны включить свои комментарии в свой ответ.

Киран Хант · Answer 3

Из закона идеального газа мы знаем:

в_{звук} знак равно \sqrt{\frac{γ к_{Б} Т}{м}}

$v_\textrm{sound} = \sqrt{\frac{\gamma k_\textrm{B} T}{m}}$ Если предположить, что межзвездное пространство равномерно нагревается реликтовым излучением , то оно будет иметь температуру

2.73 K

$2.73\ \mathrm{K}$ . Мы знаем, что большая часть этой среды состоит из протонов и нейтральных атомов водорода с плотностью около 1 атом/см- ³ . Это означает, что

γ = 5 / 3

$\gamma = 5/3$ , а также

m = 1.66 \times 10^{- 27} k g

$m = 1.66\times 10^{-27}\ \mathrm{kg}$ , давая значение для

v_{sound}

$v_\textrm{sound}$ из

192 m s^{- 1}

$192\ \mathrm{m\ s^{-1}}$ .

Однако это не распространяется эффективно в вакууме. В чрезвычайно высоком вакууме космического пространства средний свободный пробег составляет миллионы километров , поэтому любая частица, которой посчастливится* вступить в контакт с излучающим звук объектом, должна будет пройти несколько световых секунд , прежде чем сможет передать эту информацию в вторичное столкновение.

* Что для данной плотности будет составлять всего около 50 атомов водорода, если вы хлопнете в ладоши — очень низкая звуковая мощность!

-Редактировать- Как было совершенно справедливо отмечено в комментариях, межзвездная среда не такая уж холодная. В настоящий момент наша Солнечная система движется через облако газа с температурой примерно 6000 К. При этой температуре скорость звука будет примерно $9000\ \mathrm{m\ s^{-1}}$ .

См. ответ Кайла для таблицы значений для $v_\textrm{sound}$ которые можно найти в различных средах в космосе, или пела для получения информации о том, как звуковые волны ранней Вселенной стали ответственными за современные крупномасштабные структуры.

Аргх, ты опередил меня на секунды. Что ж, позвольте мне добавить, что звук в космосе играет очень важную роль в космологии: незадолго до рекомбинации, через 380 000 лет после Большого взрыва, скорость звука была примерно вдвое меньше скорости света. Когда свет и материя отделились, звуковые волны остались «замороженными» в пространстве, а это означает, что галактики имеют тенденцию формироваться в сгустки, разделенные этой длиной волны. Расстояние между этими скоплениями увеличивается с общим расширением Вселенной (и сейчас составляет ~ 465 миллионов световых лет) и обеспечивает стандартную меру длины.
-1. Это плохой ответ. Ничто в космосе не бывает таким холодным. Межпланетная среда находится в десятках тысяч кельвинов. Межзвездная среда колеблется от десятков кельвинов в молекулярных облаках до десятков миллионов кельвинов. Межгалактическая среда очень горячая, опять же в десятки миллионов кельвинов. Широко варьирующаяся температура и состав (молекулярный водород или ионизированная плазма) означают, что скорость звука в космосе значительно различается.
Я обновил его для ISM, через который в настоящее время проходит Солнечная система - моя беда, я действительно не думал о процессах, которые его генерируют, просто о том, что он был там и находился в равновесии с реликтовым излучением.
@pela Я думаю, что там есть кое-что, что стоило бы расширить и добавить свой собственный ответ к ответу Кирана, особенно с учетом вашего прошлого.
Я полагаю, 6000К - это СРЕДНЯЯ температура, иначе бы мы кипели...
@algiogia: Нет, важна не температура, а тепло . Разреженное газовое облако имеет незначительную общую тепловую энергию, даже если отдельные молекулы довольно энергичны.
@DavidHammen Либо вы полностью правы (без всяких но), и тогда я не понимаю, почему Земля не тает. Или есть но, например, «но есть химическая потеря тепловой энергии» или «но есть потеря тепловой энергии на излучение» или что-то в этом роде.
@JohannesD Что ж, Земле уже 5 миллиардов лет, достаточно времени, чтобы нагреться даже в вакууме, если все вокруг вас имеет температуру 6kK.
@yo' Он прав. Вы можете увидеть это очень просто: что произойдет, если вы бросите раскаленный металлический шар в море? Море не кипит. Вернемся к реальности: шар — это космос: очень горячий, но с очень малой массой (вокруг очень мало атомов). Тогда Земля — это море: низкотемпературное, но огромное. Таким образом, Земля не кипит.
@yo' - "но" очень просто. Среда может быть очень горячей, НО, поскольку она очень, очень разреженная, теплопередача от нее к макроскопическому объекту практически отсутствует. Для макроскопического объекта в космосе радиационный теплообмен (тепло от солнца, охлаждение в сторону пустого пространства) полностью преобладает над теплообменом от горячей, но почти несуществующей среды.
@DavidHammen Ах, хорошо, имеет смысл. Интуиция, стоящая за температурой пространства, меня полностью подводит :)
@Svalorzen OTOH, мяч остывает при прикосновении, поэтому я не понимаю (не понимал), почему пространство должно быть таким горячим.
@yo' Те молекулы, которые ударяются о землю (или что-то еще) , остывают «при прикосновении». Однако здесь метафора не работает: море эффективно переносит тепло, тогда как Вселенная неплотна и, следовательно, неэффективно переносит тепло.
@ Джо, да, я знаю. а в космосе нет (вероятно потому, что средняя температура поверхностей в космосе 6кК?)
Пространство не передает тепло эффективно, потому что перенос тепла (газов/плазмы) связан с плотностью среды. Для передачи тепла атомы должны взаимодействовать. Когда у вас есть один атом на объем CC, это случается не особенно часто.
Я всегда обнаруживал, что температура теряет свою полезность, когда речь идет либо о почти вакуумной, либо о сверхреактивной плазме, такой как кварк-глюонная плазма. Я просто слишком много думаю о давлении, которое оказывает газ, или о частотном спектре, излучаемом твердым телом, как о температуре.
@yo' Я думаю, тебе следует перестать рассматривать пространство как цельный объект/"вещь". Попробуйте вместо этого рассматривать его как буквальное пространство, содержащее невероятно редкие, невероятно маленькие, невероятно горячие «вещи» (атомы).
В ответ следует добавить, что в космосе есть частота среза. Скорость звука равна нулю для большинства частот.
Концепции, возможно, легче понять в теории Эйнштейна-Картана 1929 года (которая требует крошечной пространственной протяженности для фермионов), чем в ОТО 1915 года (где они интерпретируются как «точечные»), хотя я делаю это замечание в основном для того, чтобы помочь себе. найдите этот чрезвычайно полезный Q&A.

честный_vivere · Answer 4

Я знаю, что технически на этот вопрос уже дан ответ, но в ответах отсутствовало несколько вещей, которые, по моему мнению, следует упомянуть (я пишу обзорную статью, сравнивающую различные области космоса, поэтому у меня уже были эти цифры).

Скорость звука в космосе имеет несколько значений, поскольку космос не является вакуумом (хотя плотность магнитосферы Земли может быть примерно на 6-12 порядков ниже, чем у лучших вакуумов, созданных в лабораториях), он полон ионизированных частиц, нейтральная и заряженная пыль .

В межпланетной среде , или IPM, есть пять соответствующих скоростей, которые все можно рассматривать как тип звука , поскольку каждая из них связана со скоростью передачи информации в среде.

Классическое представление о скорости звука

Когда говорят о скорости звука , обычно имеют в виду общепринятую форму $C_{s}^{2} = \partial P/\partial \rho$ , куда $P$ тепловое давление и $\rho$ это массовая плотность. В плазме это принимает слегка измененную форму:

С_{с}^{2} знак равно \frac{к_{Б} (Z_{я} γ_{е} Т_{е} + γ_{я} Т_{я})}{м_{я} + м_{е}}

$C_{s}^{2} = \frac{ k_{B} \left( Z_{i} \ \gamma_{e} \ T_{e} + \gamma_{i} \ T_{i} \right) }{ m_{i} + m_{e} }$ куда

k_{B}

$k_{B}$ постоянная Больцмана ,

Z_{s}

$Z_{s}$ это зарядовое состояние видов

s

$s$ ,

γ_{s}

$\gamma_{s}$ - индекс адиабаты или политропы видов

s

$s$ ,

m_{i}

$m_{i}$ это масса видов

s

$s$ , а также

T_{s}

$T_{s}$ средняя температура видов

s

$s$ . В разреженной плазме, такой как в IPM, часто предполагается, что

γ_{e}

$\gamma_{e}$ = 1 (т.е. изотермический) и

γ_{i}

$\gamma_{i}$ = 2 или 3, или что

γ_{e}

$\gamma_{e}$ = 1 и

T_{e} ≫ T_{i}

$T_{e} \gg T_{i}$ . Вышеупомянутая форма скорости звука известна как скорость ионно-звукового звука, потому что это фазовая скорость, с которой распространяются линейные ионно-звуковые волны . Таким образом,

C_{s}

$C_{s}$ является законным типом скорости звука в космосе.

В ИПМ, $C_{s}$ ~ 13 - 240 км/с [например, ссылки. 12; 33; 34 ].

Скорость магнитных полей

Загадочное название намекает на то, что известно как скорость Альфвена, которая определяется как:

В_{А} знак равно \frac{Б_{о}}{\sqrt{{мю}_{о} р}}

$V_{A} = \frac{ B_{o} }{ \sqrt{ \mu_{o} \ \rho } }$ куда

B_{o}

$B_{o}$ - величина квазистатического окружающего магнитного поля,

μ_{o}

$\mu_{o}$ – проницаемость свободного пространства , а

ρ

$\rho$ - массовая плотность плазмы (которая примерно эквивалентна массовой плотности ионов, если только это не парная плазма). Эта скорость обычно связана с поперечными альфвеновскими волнами , но скорость имеет отношение к передаче информации в плазме, поэтому я включил ее сюда.

В ИПМ, $V_{A}$ ~ 4 - 220 км/с [например, ссылки. 10; 12; 33; 34 ].

Скорость намагниченных звуковых волн

В намагниченной жидкости, такой как плазма, существуют сжимающие флуктуации, вследствие чего они сжимают магнитное поле в фазе с плотностью. Они известны как магнитозвуковые волны или волны быстрой моды. Полное МГД -определение фазовой скорости для волны быстрой моды дается выражением:

2 В_{ф}^{2} знак равно (С_{с}^{2} + В_{А}^{2}) + \sqrt{{(С_{с}^{2} + В_{А}^{2})}^{2} + 4 С_{с}^{2} В_{А}^{2} {грех}^{2} θ}

$2 \ V_{f}^{2} = \left( C_{s}^{2} + V_{A}^{2} \right) + \sqrt{ \left( C_{s}^{2} + V_{A}^{2} \right)^{2} + 4 \ C_{s}^{2} \ V_{A}^{2} \ \sin^{2}{\theta} }$ куда

θ

$\theta$ угол распространения относительно

B_{o}

$\mathbf{B}_{o}$ .

V_{f}

$V_{f}$ - соответствующая скорость для ударных волн в слабостолкновительной и бесстолкновительной плазме. Это также тип скорости звука, отсюда и название магнитозвук.

В ИПМ, $V_{f}$ ~ 17 - 300 км/с [например, ссылки. 10; 12; 33; 34 ].

Дополнительное примечание
Существует также волна медленной моды, которая отличается поляризацией и относительной фазой между магнитными флуктуациями и флуктуациями плотности. Он называется медленным , поскольку имеет меньшую фазовую скорость, чем быстрый режим в той же среде.

Тепловые скорости

Последние две важные скорости — это тепловые скорости электронов и ионов. Одномерная среднеквадратичная скорость определяется выражением:

В_{Т с}^{р м с} знак равно \sqrt{\frac{к_{Б} Т_{с}}{м_{с}}}

$V_{Ts}^{rms} = \sqrt{\frac{ k_{B} \ T_{s} }{ m_{s} }}$ где определения те же, что и в предыдущих разделах, и

s

$s$ может быть

e

$e$ (электроны) или

i

$i$ (ионы). Обычно мы используем трехмерную наиболее вероятную скорость , которая определяется по формуле:

В_{Т с}^{м п с} знак равно \sqrt{\frac{2 к_{Б} Т_{с}}{м_{с}}}

$V_{Ts}^{mps} = \sqrt{\frac{ 2 \ k_{B} \ T_{s} }{ m_{s} }}$

В МФМ электрон [например, Refs. 2; 3; 5; 7; 8; 14; 17-22; 24; 25; 27; 29-34 ] и ион [например, Refs. 1-6; 8-11; 13; 15-17; 19; 20; 23; 26-32 ] тепловые скорости $V_{Te}^{mps}$ ~ 1020 - 5170 км/с и $V_{Ti}^{mps}$ ~ 13 - 155 км/с соответственно.

Резюме

В пространстве существует несколько различных типов звуковых скоростей, и каждый из них может вызывать схожие явления. Например, мы часто ссылаемся на числа Маха, связанные с $C_{s}$ , $V_{A}$ , а также $V_{f}$ . Кроме того, существует несколько плазменных неустойчивостей, возникающих в результате эффекта, подобного черенковскому излучению , когда пучок частиц превышает, например, тепловую скорость электрона.

Таким образом, в регионах за пределами местных магнитосфер , но в пределах сферы влияния нашего Солнца существует широкий диапазон скоростей звука.

Обновлять

Недавно в Astrophys была опубликована статья о статистике зависящих от температуры параметров вблизи Земли в солнечном ветре. Дж. Доп. Уилсон и др. [2018] (это открытый доступ, поэтому нет платного доступа). В работе представлены новые измерения, а также подробный обзор литературы/список ссылок на прошлые работы.

использованная литература

Дж. Е. Боровский и соавт. , J. Plasma Phys. 57 , стр. 1, 1997.
JE Borovsky и SP Gary, Phys. Плазма 16 , стр. 082307, 2009.
ЧК Чен и соавт. , Геофиз. Рез. лат. 41 , стр. 8081, 2014.
В.К. Фельдман и соавт. , Дж. Геофиз. Рез. 79 , стр. 2319, 1974.
В.К. Фельдман и соавт. , Дж. Геофиз. Рез. 81 , стр. 5054, 1976.
В.К. Фельдман и соавт. , Дж. Геофиз. Рез. 83 , стр. 2177, 1978.
В.К. Фельдман и соавт. , Дж. Геофиз. Рез. 84 , стр. 4463, 1979.
В.К. Фельдман и соавт. , Дж. Геофиз. Рез. 84 , стр. 7371, 1979.
Н. Гопалсвами, Space Sci. 124 , стр . 145, 2006 г.
Л.К. Цзянь и соавт. , Солнечная физика. 274 , стр. 321, 2011.
Л.К. Цзянь и соавт. , Астрофиз. J. 786 , стр. 123, 2014.
Дж. К. Каспер, База данных межпланетных ударов , Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики, онлайн: http://www.cfa.harvard.edu/shocks/ , 2007.
Дж. Г. Луманн и соавт. , Дж. Геофиз. Рез. 98 , стр. 5559, 1993.
М. Максимович и соавт. , Дж. Геофиз. Рез. 110 , стр. A09104, 2005.
DJ МакКомас и др. , Дж. Геофиз. Рез. 105 , стр. 10419, 2000.
DJ МакКомас и др. , Астрофиз. J. 779 , стр. 2, 2013.
Дж. А. Ньюбери и соавт. , Дж. Геофиз. Рез. 103 , стр. 9553, 1998.
Дж. Л. Филлипс и соавт. , Дж. Геофиз. Рез. 94 , стр. 6563, 1989.
WG Pilipp и соавт. , Дж. Геофиз. Рез. 92 , стр. 1093, 1987.
WG Pilipp и соавт. , Дж. Геофиз. Рез. 92 , стр. 1103, 1987.
WG Pilipp и соавт. , Дж. Геофиз. Рез. 95 , стр. 6305, 1990.
MP Pulupa et al. , Дж. Геофиз. Рез. 119 , стр. 647, 2014.
Дж. Д. Ричардсон и соавт. , Геофиз. Рез. лат. 22 , стр. 325, 1995.
С. Салем и др. , Дж. Геофиз. Рез. 106 , стр. 21701, 2001.
С. Салем и др. , Астрофиз. J. 585 , стр. 1147, 2003.
Р. Швенн, Пятая международная конференция по солнечному ветру 228 , стр. 489, 1983.
Р. Швенн, Крупномасштабная структура межпланетной среды , стр. 99, 1990 г.
JA Slavin, RE Holzer, J. Geophys. Рез. 86 , стр. 11401, 1981.
Л.Б. Уилсон III и соавт. , Дж. Геофиз. Рез. 114 , стр. A10106, 2009.
Л.Б. Уилсон III и соавт. , Дж. Геофиз. Рез. 115 , стр. A12104, 2010.
Л.Б. Уилсон III и соавт. , Дж. Геофиз. Рез. 118 , стр. 5, 2013.
Л.Б. Уилсон III и соавт. , Дж. Геофиз. Рез. 118 , стр. 957, 2013.
Л.Б. Уилсон III и соавт. , Дж. Геофиз. Рез. 119 , стр. 6455-6474, 2014.
Л.Б. Уилсон III и соавт. , Дж. Геофиз. Рез. 119 , стр. 6475-6495, 2014.
Л.Б. Уилсон III и соавт. , Астрофиз. Дж. Доп. 236 , стр. 15, 2018.

Обновите, указав выделенную ссылку на обзорную статью. Спасибо!
@CoolHandLouis - К сожалению, я все еще жду, пока несколько моих соавторов внесут свои главы в обзор, и они медлят с этим (некоторые преподавали, а другие переходили из одного университета в другой, что добавляло задержки).

янтресман · Answer 5

Вы должны учитывать, что пространство заполнено разреженной плазмой, которая ведет себя немного иначе, чем идеальный газ. Во-первых, электроны будут переносить звук с другой скоростью, чем более тяжелые протоны, но кроме того, электроны и протоны связаны электрическим полем. См.: Скорость (звука) в плазме .

Скорость звука в солнечном ветре оценивается примерно в 58 км/с, исходя из уравнения в ответе Кирана Ханта. Однако температура солнечного ветра больше похожа на $T = 1.2 \times 10^5K$ ( ссылка )

пользователь56903 · Answer 6

Учитывая низкую плотность газа, скорость звука будет прямой функцией температуры газа, т.е. скорости молекул/атомов. Поскольку вблизи некоторых звезд она колеблется от 2,7 К до миллионов градусов, скорость звука может измениться совсем немного.

ммессер314 · Answer 7

ммессер314

Прямое измерение показывает скорость 1100 м/с.

Дротоподобное гравитационное поле ЕКА и исследователь циркуляции океана (GOCE) Earth Explorer раньше вращались как можно ближе к Земле — всего на 260 км вверх — чтобы максимизировать свою чувствительность к изменениям в гравитационном поле Земли. На такой высоте достаточно атмосферы, чтобы создать небольшое сопротивление. Спутник имел аэродинамическую форму и небольшой двигатель, удерживающий его на орбите. Миссия закончилась, когда в двигателе закончилось топливо.

В 2011 году мощное японское землетрясение Тохоку силой 9,1 балла вызвало атмосферные возмущения. Они отклонили спутник. Также были измерены изменения плотности. Статья и видео здесь .

честный_vivere

Это очень интересно, и я хотел бы узнать больше, но я не думаю, что это касается ОП.

ммессер314

@honeste_vivere - Думаю, это зависит от того, какая область космоса его интересует. Если космос начинается на произвольной высоте 100 км, то это считается. Но плотность здесь определенно выше, чем в большинстве мест. Ваш ответ лучше.

честный_vivere

Я больше имел в виду тот факт, что искажение в атмосфере - это не "скорость звука". Скорость, с которой распространяется искажение, равна скорости звука, но она будет меняться с высотой.

ммессер314

@honeste_vivere - я не понимаю, какое различие вы проводите. Мне кажется, что искажение распространяется со скоростью звука, а скорость выводится из времени, которое требуется, чтобы добраться от земли до спутника. Возможно, они смоделировали скорость как функцию высоты и масштабировали ожидаемые скорости, чтобы они соответствовали прошедшему времени. Я что-то упускаю?

честный_vivere

Дело в том, что цунами физически вытеснило большое количество воды, которая затем вытеснила воздух, подобно ветру. Ветер - это не звуковая волна. Смещение распространялось со скоростью, близкой к скорости звука, скорее всего, потому, что начальное смещение произошло очень быстро (что-то вроде кратковременного удара). Из вашего рисунка видно, что они учитывали изменение скорости звука с высотой, но вздутие атмосферы из-за смещения представляет собой объемный поток жидкости, а не распространяющееся продольное колебание. Это имеет больше смысла?

ммессер314

@honeste_vivere - Да, за исключением того, что ссылка говорит о звуке. В частности, инфразвук с длинами волн в километры. Вот ссылка на полную статью. onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/grl.50205/abstract

честный_vivere

А, понятно... да, все в порядке.

Какова скорость звука в космосе?

Джош Гловер

Physics_maths

dmckee --- котенок экс-модератор

dmckee --- котенок экс-модератор

Геррит

Дж...

Кайл Оман

Гэвин Коутс

Джош Гловер

Дэвид Хаммен

Дэвид Хаммен

Боб Джарвис - Слава Україні

Любознательный

Марк С

Ответы (7)

пела

Тепловое равновесие

Скорость звука в первобытном бульоне

Рекомбинация и развязка

Космический микроволновый фон

Барионные акустические колебания

Ф. Ха

пела

Кайл Оман

Дэвид Хаммен

суперкот

Кайл Оман

суперкот

Кайл Оман

хобби

хобби

Питер

суперкот

Кайл Оман

Эмилио Писанти

Киран Хант

пела

редко

Дэвид Хаммен

Киран Хант

Селена Рутли

Physics_maths

алгиогия

Йоханнес Д

Эй'

Эй'

Свалорцен

Дэвид Хаммен

Эй'

Эй'

Джо

Эй'

Джо

рубенвб

Свалорцен

Макстер

Эдуард

честный_vivere

Классическое представление о скорости звука

Скорость магнитных полей

Скорость намагниченных звуковых волн

Тепловые скорости

Резюме

Обновлять

использованная литература

CoolHandLouis

честный_vivere

янтресман

пользователь56903

ммессер314

честный_vivere

ммессер314

честный_vivere

ммессер314

честный_vivere

ммессер314

честный_vivere