宇宙气体动力学(cosmic gasdynamics)是应用气体动力学方法研究宇宙中物质的形态和运动规律的科学,是流体力学和天体物理学相互渗透形成的学科。
介绍
流体力学和天体物理学的一个交叉分支,它应用气体动力学的方法研究宇宙中物质的形态和运动规律。宇宙中的物质形态以等离子体为主,还有稀薄的气体,此外,行星内部有液态核,它们都是流体或磁流体。所以应用流体力学和磁流体力学能够描述很多宇观尺度的天体过程。在有些天体问题中,气体碰撞的平均自由程比问题的特征尺度还要大,使得应用气体动力学的方法受到限制;但是由于宇宙过程的尺度都很大,即使气体的电导率不高,也会受磁场的强烈影响,而磁场的影响有一种等效于碰撞过程的作用,因此使得气体动力学的方法仍可用于描述无碰撞气体的大尺度过程。无碰撞的粒子一般用统计分布法描述,对粒子的质量、动量和能量平均可得到矩方程。如果对这些矩方程作某种截断处理,它们的形式与气体动力学方程组类似。这样,宇宙中稀薄气体的某些运动过程,以至于恒星动力学的某些过程也可以用气体动力学的方法来处理。
发展
近二三十年来,宇宙气体动力学有了显著的进展。它的研究领域已经从行星环境扩展到太阳内部,从气云到星系,以至到局部宇宙的演化规律,并取得了一批成果,其中包括太阳风、磁层、气云的坍缩和碎裂、无碰撞激波、恒星大气的反常加热、宇宙中磁场的起源和演化、宇宙中的湍流特性、星系的密度波理论等。
宇宙气体动力学除运用经典的概念去讨论天体过程外,还结合宇宙现象中的具体过程,发展了气体动力学的方法。结合天体中经常出现的强辐射场,发展了辐射气体动力学;考虑到宇宙磁场的作用,形成了宇宙磁流体力学或宇宙电动力学;把气体动力学的连续介质概念用于研究宇宙线,得到宇宙线动力学,等等。现在,大量天体物理的问题都采用气体动力学的概念和方法进行研究,而讨论具体的物理化学过程又反过来扩展了气体动力学的领域。