A velocidade do som no espaço tem vários significados porque o espaço não é um vácuo (embora a densidade numérica da magnetosfera da Terra possa ser aproximadamente 6-12 ordens de magnitude mais tênue do que os melhores vácuos produzidos em laboratórios), é cheio de partículas ionizadas, neutras e carregadas poeira.

No meio interplanetário ou IPM, existem cinco velocidades relevantes que podem todos podem ser considerados um tipo de som de certa forma, porque cada um está relacionado à velocidade de transferência de informações no meio.

As "velocidades do som"

Velocidade do som

Visto que um plasma pode agir coletivamente como um fluido, ele pode ter uma velocidade do som na forma clássica de $ C_ {s} ^ {2} = \ parcial P / \ parcial \ rho $, onde $ P $ é a pressão térmica e $ \ rho $ é a densidade de massa. Em um plasma, isso assume a forma ligeiramente alterada de: $$ C_ {s} ^ {2} = \ frac {k_ {B} \ left (Z_ {i} \ \ gamma_ {e} \ T_ {e} + \ gamma_ {i} \ T_ {i} \ right)} {m_ {i} + m_ {e}} $$ onde $ k_ {B} $ é a constante de Boltzmann, $ Z_ {s} $ é o estado de carga da espécie $ s $, $ \ gamma_ {s} $ é o índice adiabático ou politropo da espécie $ s $, $ m_ {s} $ é a massa da espécie $ s $ , e $ T_ {s} $ é a temperatura média da espécie $ s $. Em um plasma tênue, como o encontrado no IPM, é freqüentemente assumido que $ \ gamma_ {e} $ = 1 (isto é, isotérmico) e $ \ gamma_ {i} $ = 2 ou 3, ou que $ \ gamma_ { e} $ = 1 e $ T_ {e} \ gg T_ {i} $. A forma acima da velocidade do som é conhecida como velocidade do som íon-acústico porque é a velocidade de fase na qual as ondas acústicas iônicas se propagam. Assim, $ C_ {s} $ é um tipo legítimo de velocidade de som no espaço.

Velocidade de Alfvén

A velocidade de Alfvén é definida como: $$ V_ {A} = \ frac {B_ {o}} {\ sqrt {\ mu_ {o} \ \ rho}} $$ onde $ B_ {o} $ é a magnitude do campo magnético ambiente quase estático, $ \ mu_ {o} $ é a permeabilidade do espaço livre e $ \ rho $ é a densidade de massa do plasma (que é aproximadamente equivalente à densidade de massa de íons, a menos que seja um par de plasma). Essa velocidade é normalmente associada a ondas Alfvén transversais, mas a velocidade é relevante para a transferência de informações em plasmas.

Ondas sonoras magnetizadas

Em um fluido magnetizado como um plasma, existem flutuações que são compressivas, por meio das quais comprimem o campo magnético em fase com a densidade, chamadas magnetosônicas ou ondas de modo rápido. A velocidade de fase para uma onda de modo rápido é dada por: $$ 2 \ V_ {f} ^ {2} = \ left (C_ {s} ^ {2} + V_ {A} ^ {2} \ right) + \ sqrt {\ left (C_ {s} ^ {2} + V_ {A} ^ {2} \ right) ^ {2} + 4 \ C_ {s} ^ {2} \ V_ {A} ^ {2} \ \ sin ^ {2} {\ theta}} $$ onde $ \ theta $ é o ângulo de propagação em relação a $ \ mathbf {B} _ {o} $.

Velocidades térmicas

Existem também as velocidades térmicas nas quais costumamos pensar em relação aos gases. Em um plasma, há uma velocidade térmica para cada espécie de partícula, por exemplo, elétrons e íons. A velocidade rms unidimensional é dada por: $$ V_ {Ts} ^ {rms} = \ sqrt {\ frac {k_ {B} \ T_ {s}} {m_ {s}} } $$ onde $ s $ pode ser $ e $ (elétrons) ou $ i $ (íons). A velocidade mais provável tridimensional, que é dada por: $$ V_ {Ts} ^ {mps} = \ sqrt {\ frac {2 \ k_ {B} \ T_ {s}} {m_ {s}}} $$

Resposta

O motivo do vento solar se tornar supersônico é, na verdade, um pouco misterioso e grande parte da motivação para a Sonda Solar Mais missão. Uma das teorias originais era que a mudança na proporção de $ B_ {o} / n_ {o} $ com o aumento da distância da superfície solar causava um efeito semelhante ao de um bico de Laval. Existem vários outros aspectos que complicam as coisas (ou seja, múltiplas distribuições de partículas não Maxwellianas), mas, mais recentemente, ondas de Alfvén foram propostas como o possível mecanismo de aceleração.

Por que subpopulações de partículas em um plasma podem se tornar supersônicas não é um mistério. Existem vários mecanismos de interações onda-partícula, aceleração de Fermi, diferentes tipos de aceleração de choque, etc.

Uma vez supersônico, um gás não tem necessariamente qualquer razão para desacelerar, a menos que ele encontra um obstáculo, seja um corpo sólido (por exemplo, asteróide) ou um fluido de fluxo mais lento. Sem alguma força / resistência impeditiva, não há razão para que um gás não consiga manter uma velocidade supersônica. As ondas de choque em um fluido colisional, como a atmosfera da Terra, não duram muito porque "correm para" um fluido que se move mais lentamente, o que impede sua propagação.