Für Anfänger

gibt es eine Einführung in die Thematik des kosmischen  Plasmas unterstützt durch Youtube Movies

Der Leitfaden

der Elektro- dynamik ist die Voraussetzungen, um die Eigen- schaften des Plasmas, des Aggregatzustandes, in dem sich der Kosmos zu mehr als 99% befindet, zu verstehen..  

Missverständnisse

sind der Grund, warum viele Leute die Ideen des Elektrischen Universums ablehnen. Hier wird mit den Missverständnissen aufgeräumt.

Unter dem Menüpunkt

      Blogs/ Ideensammlung

werden archeologische Artefakte

und mythologische Überlieferungen

von  David Talbott in einer

Podcastserie gedeutet.

SpaceNews

In Kurzfilmen mit deutschen  Untertiteln werden die neuesten  Erkenntnisse über den Kosmos  dargestellt.

Neu: siehe SpaceNews 2016

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Stimme für das

Elektrische Universum

letzte Änderung: 26.04.2017 

3. PLASMA

3.1 EINFÜHRUNG IN DIE PLASMA-PHYSIK

Es ist bekannt, dass der Weltraum mit Plasma gefüllt ist. Plasma ist tatsächlich der im Universum am  weitesten verbreitete Aggregatzustand. Es ist zu finden in einem breiten Bereich von Feuer, Neonlichtern und  Blitzen auf der Erde ebenso wie in galaktischen und intergalaktischen Räumen. Der einzige Grund dafür, dass wir  mit Plasma nicht besser vertraut sind, besteht darin, dass die Menschheit in einer dünnen Biosphäre aus  Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen lebt, auf die unsere Sinne abgestimmt sind. So nehmen wir beispielsweise  Feuer nicht als Plasma wahr; wir sehen eine helle Flamme und fühlen Hitze. Nur wissenschaftliche Experimente  können uns zeigen, dass Plasma in der Flamme anwesend ist. 

Während Studien von Plasma sich auf einzelne Themen wie die Erzeugung

von Fusionsenergie konzentriert, erwartet Lernende mit einem breiteren

Interesse auch das Verständnis dafür, wie das Universum funktioniert.

Bildquelle: DOE-Princeton Plasma Physics Lab; Peter Ginter

Plasma ist eine Ansammlung geladener Teilchen, die kollektiv auf elektromagnetische Kräfte reagieren”  (aus dem ersten Absatz in Physics of the Plasma Universe, Anthony Peratt, Springer-Verlag, 1992). Eine  Plasmaregion kann auch einen Anteil neutraler Atome und Moleküle enthalten und ebenso beides, geladene und neutrale Verunreinigungen wie Staub, Körner und größere Körper, von kleinen felsigen Körpern bis zu großen  Planeten und natürlich Sternen. Das entscheidende Merkmal ist die Anwesenheit von freien Ladungsträgern, das heißt von Ionen und  Elektronen und geladenen Staubpartikeln. Ihre starke Reaktion auf elektromagnetische Felder führt zu einem  Verhalten von Plasma, welches völlig verschieden zum Verhalten von nichtionisiertem Gas ist. Natürlich  reagieren alle Teilchen – geladene und neutrale – auf ein Gravitationsfeld proportional zu seiner lokalen Stärke.  Da das Universum vor allem aus Plasma besteht, sind Regionen in denen die Gravitationskraft über den  Elektromagnetismus dominiert relativ selten.  Wegen seiner einzigartigen Eigenschaften wird Plasma gewöhnlich als ein von den Aggregatzuständen  fest, flüssig und gasförmig unterschiedlicher Aggregatzustand bezeichnet. Er wird oft als “vierter  Aggregatzustand” bezeichnet, obwohl er, da er der am häufigsten vorkommende Aggregatzustand ist, als  “erster” Aggregatzustand bezeichnet werden sollte.  Die Übersicht unten wird normalerweise genutzt, um zu verdeutlichen, wie die Aggregatzustände sich von  einem thermischen Gesichtspunkt aus verändern. Je höher die Temperatur, umso höher geht es die Energieleiter  hinauf mit Übergängen aufwärts und abwärts wie dargestellt. Allerdings braucht es eine sehr hohe  Wärmeenergie, um Materie zu ionisieren. Doch es gibt auch andere Mittel, um das zu erreichen und ein  ionisierter Zustand mit Ladungsungleichgewicht kann bei fast jeder anderen Temperatur erzeugt und erhalten  werden. Etwas Festes wie ein metallisches Elektrokabel wird, wenn es mit einem elektrischen Stromkreis mit  genügend hoher Spannungsquelle (Batterie, Kraftwerk) verbunden ist, seine Elektronen vom metallischen Kern  trennen, so dass sie sich im Draht als Strom geladener Teilchen frei bewegen können.  Ein Becher Wasser mit etwas Metallsalz, wie z.B. Natriumchlorid, wird schnell ionisieren. Wenn eine  elektrische Spannung mit positiv und negativ geladenen Drähten angelegt wird, können die Wasserstoff- und  Sauerstoffatome zu den entgegengesetzt geladenen Drähten treiben und sich bei Raumtemperatur als  gasförmige Atome entwickeln. Solche stabilen, neutralen Zustände sind Teil des Elektrischen Universums, doch  dieser Leitfaden ist mehr auf die Untersuchung des Plasmazustandes und elektrischer Ströme in größeren  Maßstäben im Weltraum gerichtet. Eine molekulare Wolke von kaltem Gas und Staub kann durch die Strahlung nahe liegender Sterne oder  kosmische Strahlung ionisiert werden, mit dem Ergebnis, dass Ionen und Elektronen Merkmale organisierten  Plasmas annehmen, das in der Lage ist Ladungen und Doppelschichten aufrecht zu erhalten, Ladungen zu  trennen und elektrische Felder mit sehr großen Spannungsunterschieden zu erzeugen. Solches Plasma wird  Ladungen beschleunigen und sie besser leiten als Metalle. Plasmaströme können sich in Schichten und  fadenförmigen Formen bilden, zwei der vielen Formen durch die die Anwesenheit von Plasma ermittelbar ist.

Vier Aggregatzustände der Materie und die Übergänge zwischen ihnen. Man beachte die

Ähnlichkeit zu den frühen griechischen “Urelementen” Erde, Wasser, Luft und Feuer. Es ist

klar, dass Plasma der energiereichste Zustand ist. Die offene Frage bleibt: Woher kommt

diese Energie im Universum?

Bildquelle: Wikimedia Commons

Der Anteil der Ionen wird mit dem Ionisationsgrad des Plasmas gemessen. Der Grad der Ionisation eines  Plasmas kann variieren von 0,01% bis 100%, aber Plasmaverhalten kommt wegen der Anwesenheit geladener  Teilchen und der für das Plasmaverhalten typischen Ladungstrennung in diesem gesamten Bereich vor.  Plasma wird manchmal einfach als ionisiertes Gas bezeichnet. Obwohl sachlich korrekt, ist diese  Terminologie unvollständig und veraltet. Sie wird genutzt, um den Fakt zu verschleiern, dass Plasma sich  generell selten wie ein Gas verhält. Im Weltraum ist es nicht einfach diffus vorhanden, sondern es organisiert  sich selber in komplexen Formen und wird nicht wesentlich auf die Gravitationskraft reagieren, so lange nicht die  lokalen elektromagnetischen Kräfte viel schwächer sind als die lokale Gravitation. Plasma ist keine Materie im  Gaszustand, es ist Materie im Plasmazustand.  Die gewaltigen Massenauswürfe der Sonne in Form von “ionisiertem Gas” (Plasma) als Protuberanzen und  koronale Massenauswürfe entgegen ihrer eigenen, mächtigen Schwerkraft verdeutlichen dies. Der Sonnen-  “Wind” ist Plasma und besteht aus sich bewegenden geladenen Teilchen, auch bekannt als elektrischer Strom.  Plasma ist nicht flüssig oder “Wind” oder “heißes Gas”, um es in einfachen Begriffen zusagen. Die Nutzung  anderer Begriffe aus dem Bereich der Fluiddynamik dient nur dazu, die Wirklichkeit von elektrischen Strömen  und Plasmaphänomenen zu verschleiern, die im Weltraum um uns herum, so weit wir es beobachten können,  mächtiger sind als die Gravitationskraft. 

Ein koronaler Massenauswurf schleudert Milliarden

Tonnen von Plasma in den inter-planetaren Raum. Die

Sonne hat die Größe des weißen Kreises auf der

verdeckenden Scheibe.

Mit freundlicher Genehmigung von SOHO public imagery

3.2 IONISATION

Wir wissen, dass der Weltraum gefüllt ist mit Feldern, einer Vielfalt von Teilchen, von denen viele elektrisch  geladen sind, und Ansammlungen von Teilchen in der Größenordnung von Atomen über Planeten bis hin zu  Sternen und Galaxien. Neutrale Teilchen – das sind Atome und Moleküle, die dieselbe Zahl von Protonen und  Elektronen haben, wir vernachlässigen Antimaterie hier – bestehen aus entgegengesetzt geladenen Teilchen.  Umgekehrt können geladene Teilchen von Atomen und Molekülen durch einen als Ionisation bekannten Prozess  gebildet werden. Wenn ein Elektron – eine negative Ladung – von seinem Atom getrennt wird, dann trägt der verbleibende  Teil des Atoms eine positive Ladung. Das abgetrennte Elektron und der Rest des Atoms werden von einander frei.  Dieser Prozess wird Ionisation genannt. Der positiv geladene Rest des Atoms wird Ion genannt. Das einfachste  Atom, Wasserstoff, besteht aus einem Proton (seinem Kern) und einem Elektron. Wenn Wasserstoff ionisiert wird,  dann ist das Ergebnis ein freies Elektron und ein freies Proton. Ein einzelnes Proton ist der einfachste Typ eines  Ions.  Wen ein Atom ionisiert wird, das schwerer als Wasserstoff ist, dann kann es mehr als ein Elektron verlieren.  Die positive Ladung dieses Ions gleicht dann der Zahl der Elektronen, die bei der Ionisation verloren wurden.  Ionisation kann auch bei Molekülen vorkommen. Es kann auch durch die Zufuhr eines Elektrons zu einem  neutralen Atom oder Molekül ein negativ geladenes Ion werden. Staubteilchen im Weltraum sind oft geladen und  das Studium der Physik staubigen Plasmas ist heute Gegenstand der Forschung an vielen Universitäten. Um  Atome in Elektronen und Ionen zu trennen – siehe die Übersicht unten – wird Energie benötigt. 

Ionisationsenergie von Elementen mit unterschiedlicher Atomzahl.

Bildquelle: Wikimedia Commons, ergänzt durch Temperaturen an der rechten Achse

Man beachte das wiederkehrende Muster in der Darstellung: ein Alkalimetall benötigt eine relativ geringe  Ionisationsenergie oder Temperaturzufuhr (ist einfach zu ionisieren). Wenn man sich nach rechts bewegt, wobei  die Atomzahl steigt – die Zahl der Protonen im Kern des Atoms – ist mehr Energie erforderlich, um die  “schweren” Atome zu ionisieren. Den Gipfel bilden die Atome von “Edelgasen”, gefolgt von einem Abfall zu den  nächst höheren Atomzahlen, die wieder Metalle sind. Dann wiederholt sich das Muster. Es ist interessant festzustellen, dass Wasserstoff, das leichteste Element, in diesem elektrischen und  chemischen Zusammenhang als “Metall” zu betrachten ist, weil es nur ein einzelnes Elektron auf seiner äußeren  (und einzigen) Umlaufbahn besitzt, welches es bereitwillig “abgibt”. Die allgemeine Terminologie der Astronomie  bezüglich der in Sternen vorkommenden Elemente  ist die, dass Wasserstoff und Helium “Gase” sind und alle  anderen anwesenden Elemente zusammen als “Metalle” bezeichnet werden. Es ist interessant festzustellen, dass Wasserstoff, das leichteste Element, in diesem elektrischen und  chemischen Zusammenhang als “Metall” zu betrachten ist, weil es nur ein einzelnes Elektron auf seiner äußeren  (und einzigen) Umlaufbahn besitzt, welches es bereitwillig “abgibt”. Die allgemeine Terminologie der Astronomie  bezüglich der in Sternen vorkommenden Elemente  ist die, dass Wasserstoff und Helium “Gase” sind und alle  anderen anwesenden Elemente zusammen als “Metalle” bezeichnet werden.

3.3 ENTSTEHUNG UND AUFRECHTERHALTUNG DER IONISATION

Die für die Entstehung und Aufrechterhaltung notwendige Energie kann die kinetische Energie aus  Zusammenstößen zwischen energetischen Teilchen (mit genügend hoher Temperatur) sein oder aus genügend  starker Strahlung stammen. Die durchschnittliche zufällige Bewegungsenergie von Teilchen wird gewöhnlich als  Temperatur bezeichnet und in einigen Hochgeschwindigkeitsanwendungen in Elektronenvolt (eV) gemessen. Um  Temperatur in Kelvin (K) in eV umzurechnen, wird durch 11604,5 dividiert. Umgekehrt multipliziert man den Wert  in eV mit dieser Zahl, um das Wärmeäquivalent als Temperatur in K zu erhalten. Die Darstellung oben repräsentiert die Ionisationsenergie, die erforderlich ist, um das erste, äußerste  Elektron aus einem Atom oder Molekül frei zu setzen. Weitere Elektronen sind enger an den Kern gebunden und  ihre Ionisation erfordert noch höhere Energien. Mehrere Schichten von Elektronen aus Atomen können in extrem  energiereichen Umgebungen frei gesetzt werden, wenn sie sich in und nahe von Sternen und galaktischen Jets  befinden. Wichtig: Diese energiereichen Plasmen sind bedeutende Quellen von Elektronen und Ionen, die auf  extrem hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden können. Sie sind Quellen von kosmischer Strahlung und  Synchrotronstrahlung auf vielen verschiedenen Wellenlängen. Über den Zusammenhang kosmischer Strahlung  mit Wolkenmustern, die unser globales Klima beeinflussen, wird in Henrik Svensmarks Buch The Chilling Stars  berichtet.  Temperatur ist der Maßstab dafür, wie viel zufällige kinetische Energie Teilchen haben, was wiederum von  der Rate der Teilchenkollisionen abhängt und davon wie schnell sie sich bewegen. Die Temperatur beeinflusst  den Grad der Plasma-Ionisation. Im Plasma können sich (parallel) ausgerichtete elektrische Felder mit lokalen  Magnetfeldern [(“force-free”-Bedingung)] formen. Teilchen, die in Feldern ausgerichtet werden, tendieren dazu,  sich parallel und nicht zufällig zu bewegen und unterliegen daher relativ wenigen Zusammenstößen. Der  Übergang der Flugbahnen von Teilchen von zufälligen zu parallelen wird “Dethermalisierung” genannt. Sie haben danach eine niedrigere “Temperatur”. Analogie: man stelle sich den Verkehrsfluss in einem “Zerstörungsrennen”  als “heißen”, kollisionsanfälligen, zufälligen Verkehr und freien Fahrzeugverkehr auf Bahnen als “kühlen”, wenig  kollisionsreichen, parallel ausgerichteten Verkehr vor. Bei einem Zusammenstoß zwischen einem Elektron und  einem Atom wird Ionisation dann vorkommen, wenn die Energie  des Elektrons (die Elektronentemperatur) größer ist als die  Ionisationsenergie des Atoms. Gleiches gilt, wenn ein Elektron  mit einem Ion  kollidiert. Sie werden sich nicht wieder vereinen,  wenn das Elektron genug Energie hat. Man kann sich das so  vorstellen, dass die Elektronen eine Geschwindigkeit haben, die  größer ist als die Fluchtgeschwindigkeit des Ions, weshalb sie  nicht wieder in eine Umlaufbahn um das Ion gezwungen werden. Elektronentemperaturen in Weltraumplasmen können sich  im Bereich von Hunderten Millionen Kelvin bewegen. Plasmen  können sich ihren Ionisationszustand sehr wirksam  aufrechterhalten. Eine Ladungstrennung ist in Weltraumplasmen  normal.   Andere Quellen von Ionisationsenergie umfassen aus  anderen Regionen kommende, hochenergetische kosmische  Strahlen, hochenergetische oder “Ionisations”-Strahlung wie  intensives ultraviolettes Licht, das auf eine neutral geladene  Region mit Gas oder schwach ionisiertem Plasma nahe der Sterne fällt. Das ist eine Begegnung bei der die  relative Geschwindigkeit die kritische Ionisationsgeschwindigkeit (CIV) überschreitet (Hannes Alfén, Collission  between a nonionized gas and magnetized plasma, Rev. Mod. Phys., vol. 32, p. 710, 1960) oder energetische  Strahlungsprozesse, die im Plasma selbst erzeugt werden. 

Einfache Darstellung der Freisetzung eines

Elektrons bei der Ionisation eines Atoms

Im Nebel NGC 3603 werden hochenergetische Prozesse beobachtet: der blaue Supergigant Sher 25 mit einem

toroidalen Ring und bipolaren Jets, oben Mitte, und Plasma im Glimmmodus entlädt sich als Emissionsnebel

(gelb-weiße Gebiete); clusterförmige heiße blaue Wolf-Rayet- und junge Sterne des O-Typs mit elektrischen

Filamenten und Randgebieten in der staubigen Plasmaregion des Nebels.

Bildquelle: W. Brandner (JPL/IPAC). E. Grebel (U. of Washington), You-Hua Chou (U. of Illinois, Urbana-

Champaign) and NASA Hubble Space Telescope

In der Urknall-Kosmologie wird angenommen, dass es nicht genug Energie im Universum gäbe, um die  signifikante Zahl “freier” Ionen und Elektronen durch Ionisation zu schaffen und aufrecht zu erhalten und  deshalb wird behauptet, dass sie nicht existieren könnten. Doch es wird immer Energie abgegeben, wenn Ionen  und Elektronen sich zu Atomen vereinen. Im Urknall-Modell wird angenommen, dass Protonen und Elektronen  vor den Atomen geschaffen worden wären, weshalb ein enormer Betrag an Energie während der Bildung der  Atome freigesetzt worden sein muss. So scheint es möglich zu sein, dass, wenn das Urknall-Modell korrekt wäre,  dann diese Energie noch zur Re-Ionisation großer Atomzahlen zur Verfügung stünde. Es sei möglich, dass nicht  alle Protonen und Elektronen sich nach dem Urknall zu Atomen vereinten. Man beachte, dass sich das Elektrische Modell nicht auf das Urknall-Modell verlässt. Das Elektrische  Modell sagt einfach, dass wir Ionen und Elektronen überall wahrnehmen, wo wir hinsehen; also existieren sie,  wahrscheinlich in großer Zahl. Teleskope, welche hochenergetische Protonen “sehen”, wie Chandra  (Röntgenstrahlen) und EIT, das Extreme Ultraviolet Imaging Telescope auf der der Sonnenbeobachtung  dienenden Raumsonde SOHO, bestätigen die Existenz ionisierender Energiequellen im Universum, nah und fern.  Wenn man behauptet, dass frei bewegliche Ionen und Elektronen in großer Zahl nicht existieren können, weil es  nicht genug Energie im Universum gäbe, um sie zu erzeugen, dann ist das genau so falsch, wie aus demselben  Grund zu behaupten, dass das Universum daher nicht existieren könne. 

Fortsetzung

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2. Felder im Weltraum

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