Owen Wyn Roberts o Sefydliad Ymchwil y Gofod, Academi Gwyddoniaeth Awstria, Graz, Awstria (Institut für Weltraumforschung, Österreichische Akademie der Wissenschaften,  Graz, Österreich) yn trafod pwysigrwydd deall tyrfedd.

Cyflwyniad

Rydym yn tueddu i feddwl am y gofod fel rhywle gwag, ond mewn gwirionedd mae’n llawn o blasma, sef pedwerydd cyfnod mater. Mewn plasma, mae nwy yn cael ei gynhesu cymaint fel bod yr atomau yn colli’u helectronau ac yn cael eu gwefru.

Mae plasma yn ddeunydd diddorol tu hwnt – mae’r ffaith fod gwefr ar yr atomau ac electronau yn achosi i’r gronynnau unigol ryngweithio â meysydd trydanol, a magnetig, gan drawsnewid natur deinameg y nwy.

Yn y 1960au wedi gyrru lloerennau i’r gofod, darganfuwyd bod ‘gwynt’ yn y gofod yn cael ei daflu allan o’r Haul. Gelwir hyn bellach yn ‘wynt yr haul’ a gwyddwn fod iddo fuanedd uchel a newidiol (300-700 cilometr yr eiliad). O ganlyniad mae’r gwynt mewn cyflwr tyrfol. Ond beth yw tyrfedd? A pham ddylsen ni ei astudio?

Mae tyrfedd yn broses o drosglwyddo egni o’r graddfeydd mwyaf i’r lleiaf. Er enghraifft, o gysidro ein paned de fel llif tyrfol, rydym yn rhoi egni i mewn iddo wrth droelli’r llwy. Wrth wneud hyn rydym yn creu fortecs ansefydlog o fewn y cwpan. Mae fortecsau mawr yna’n chwalu i fortecsau llai a llai ac mae’r llaeth nawr wedi’u gymysgu!

Diagram yn dangos ffurff tonnau'n rhannu'n ffurfiau llai, gydag egni i mewn ar y top ac egni allan ar y gwaelo
Braslun o broses dyrfol ble mae fortecsau’n chwalu’n llai a llai cyn cynhesu’r nwy ar feintiau cymharol i ronynnau’r system

Trwy’r broses yma mae egni’n teithio i feintiau llai mewn proses effeithlon nes y byddwn ni’n dod at feintiau gronynnau ein hylif neu nwy ble mae’r egni cinetig yn cael ei drawsnewid i egni mewnol y gronnynau. Yn sgil hyn mae’r gronnynau yn cael eu cynhesu. Dangosir braslun o’r broses yma yn Ffigwr 1.  Mae plasma’n fwy cymhleth; yn ogystal â fortecsau, mae tonnau yno hefyd ble mae meysydd electromagnetig yn osgiliadu.

Mae tyrfedd yn broses y gwelwn ar draws y bydysawd. Mae esiamplau i’w gweld mewn disgiau ymgasglu o gwmpas tyllau du, neu weddillion uwchnofa, yn ogystal ag mewn dyfeisiadau labordy, fel adweithydd ymasiad niwclear. Buasai adweithydd ymasiad yn caniatáu digonedd o egni trydanol glân ond, ar hyn o bryd, gan fod y plasma’n dyrfol a’r adwaith yn ansefydlog ni ellir echdynnu’r egni. Yn aml does dim gobaith samplu rhai plasmau astroffisegol ac mewn labordai mae’r offer mesur yn aml yr un maint â rhai o baramedrau’r plasma, sydd yn gwneud cynnal arbrofion yn galed. Felly’r ateb yw defnyddio gwynt yr Haul fel labordy naturiol (1). Efallai yn y pen draw gyda dealltwriaeth well o dyrfedd gallwn adeiladu adweithydd ymasiad niwclear sefydlog.

Technegau

I ddadansoddi mesuriadau maes magnetig yng ngwynt yr Haul byddem yn defnyddio technegau tonfech (wavelet) (2). Mae’r technegau yma’n ein galluogi i ddadelfenu’r signal i gydrannau llai sydd ag un donfedd. Gelwir y cydrannau yma yn donfechau. Defnyddir y technegau hyn i ddadansoddi signalau aflinol cymhleth, er enghraifft yn y maes meteoroleg i ymchwilio i newidiadau El Niño, yn ogystal ag yn y maes niwrolegol i ddadansoddi newidiadau trydanol yr ymennydd.

Gallwn roi esboniad syml o sut mae’r dechneg yn gweithio trwy gymharu’r signal yr ydym yn ei fesur gyda chawl. I gael dealltwriaeth o’r cawl rydym angen y rysáit a chael gwybodaeth o’r cynhwysion a phryd i’w rhoi yn y gymysgedd. Wrth ddadelfenu signal maes magnetig yn donfechau rydym yn cael golwg ar y rysáit; er engrhaifft efallai y gwelwn bod un ton fagnetig ar un adeg, ton wahanol ar amser gwahanol, ac efallai fortecs mewn man arall.

Diagramau o wahanol signalau
Ffigwr 2: (a) signal sydd wedi’i ddiffinio fel ton sin. (b) sbectra dau ddimensiwn o’r signal yn (a), mae’r amledd wedi’i ddynodi â llinell ddu. (c) Signal ton sgwâr ble mae’r newid cyflym yn debyg I signal welwn pan mae fortecs yn bresennol. (ch) Sbectra tonfech y don sgwâr. Mae’r llinell ddu yn dynodi ble mae’r newid o 1 i -1 yn y signal.

Mae ffigwr 2a yn dangos enghraifft o don syml gyda phatrwm sydd yn ailadrodd. Yn ffigwr 2b gwelwn y sbectra tonfech sydd yn cyfateb i signal ffigwr 2a, ble mae pŵer uchel ar un amledd yn gyson dros amser (pŵer llorweddol) .

Mae ffigwr 2c yn dangos ton sgwâr sydd yn fwy tebyg i fortecs sydd yn cyferbynnu â’r don gan ei fod yn newid cyflym nad yw’n ailadrodd. Mae’r sbectra tonfech (ffig 2ch) yn dangos rhywbeth gwahanol i’r sbectrwm ton sef bod y pŵer yn parhau am ennyd fach ond ar draws sawl amledd (pŵer fertigol).

Data

Mae’r cyrch Cluster (3)  yn brosiect gan Asiantaeth Gofod Ewrop sydd yn cynnwys pedair lloeren sydd yn cymryd mesuriadau plasma a meysydd electromagnetig. Cafodd lloerennau eu henwi yn, Samba, Salsa, Mambo a Tango, gan fod y lloerennau yn ‘dawnsio’ gyda’i gilydd mewn ffurfiad pyramid. Wedi’r lansiad o Baikonur, Kazakhstan yn y flwyddyn 2000 gosodwyd y lloerennau mewn orbit hirgrwn eithaf dros begynau’r Ddaear er mwyn gallu samplu sawl plasma gwahanol. Gwelwn fraslun arlunydd o’r lloerennau yn ffigwr 3.  Defnyddiwn ddata maes magnetig oddi wrth fagnetomedrau coil chwilio (4) a fluxgate (5) pan oedd Cluster yng ngwynt yr Haul.

Darlun yn dangos lloerennau
Ffigwr 3: braslun arlunydd o’r lloerennau Cluster.

Canlyniadau

Dau graff yn dangos sbectrymau meysydd magnetig
Ffigwr 4: Dau sbectrwm maes magnetig un dimensiwn ble mae’r cyfartaledd mewn amser wedi’i gymryd. Data wedi’i fesur ar 31ain o Ionawr 2009 ar loeren Samba (C1). Mae’r llinellau coch yn dangos yr amleddau isel o’r offer fluxgate (FGM) tra bo’r cromliniau glas yn dynodi’r mesuriadau amledd uchel o’r coil chwilio (SCM). Mae’r llinellau gwyrdd a phiws yn dangos dau amledd sydd yn cyfateb at feintiau protonau (1Hz) ac electronau (30Hz), sef y radiws cylchu, a’r hyd inertia.

Mae ffigwr 4 yn dangos dau sbectrwm tonfech o’r maes magnetig mewn un dimensiwn ble mae’r cyfartaledd mewn amser wedi’i gymryd. Gwelwn fod gwahaniaeth mawr yn siâp y ddau sbectrwm hefo sbectrwm (a) yn dangos siâp cryman tra bod sbectrwm (b) yn dangos cynnydd yn y pŵer tua 30Hz.  Hwn yw’r cawl y mae’n rhaid i ni ei ddadansoddi a deall beth sydd yn rhoi’r siapiau yma.

Defnyddiwn gydlyniant (coherence) tonfech i geisio deall y gwahaniaeth yn y ddau sbectrwm. Mae cydlyniant yn fesur o berthnasau rhwng parau o signalau a hynny’n ddelfrydol ar gyfer cydrannau gwahanol o’r maes magnetig. Mae ffigwr 5 yn dangos y cydlyniant ble mae 5a,b yn cyfateb i ffigyrau 4a,b. Gwelwn yn ffigwr 5a bod sawl rhan (wedi’u dynodi â saethau) ble mae cydlyniant dros sawl amledd yn debyg i’r hyn a welwn yn ffigwr 2ch gyda ton sgwâr. Tra bod ffigwr 5b yn dangos cydlyniant dros amseroedd hir yn debyg i beth welwn a thon sinwsoidaidd yn ffigwr 1b. Gwelwn nawr bod fortecsau yn arwain at sbectrwm hefo siâp cryman, tra bod tonnau yn arwain at bŵer uwch ar un amledd.

Dau lun digidol yn dangos strwythurau a thonnau
Ffigwr 5: cydlyniant tonfech yn cyfateb i’r ddau sbectrwm yn ffigwr 4. Gwelwn yn (a) sawl ardal sydd yn parhau ar draws sawl amledd sydd yn strwythurau cydlynol hefo saethau coch yn pwyntio atynt. Tra yn ffigwr (b) gwelwn ardaloedd dros amseroedd hir yn ymestyn dros ardaloedd llai mewn amledd sydd yn donnau.

Crynodeb

Gwelwn fod siâp y sbectrwm yn dibynnu ar y math o dyrfedd sydd yno; os oes tonnau, maent yn rhoi cynnydd yn y pŵer ar un amledd a hynny yn rhoi crwb bach, tra bod fortecs rhoi pŵer ar draws sawl amledd yn crymannu’r siâp. Dyma yw ein rysáit ar gyfer tyrfedd: cymysgedd o donnau a fortecsau! I gloi rydym wedi dangos sawl proses wahanol mewn tyrfedd plasma; y gamp fawr i’w datrys yn y dyfodol yw gweld pa brosesau yw’r rhai mwyaf pwysig ar gyfer trosglwyddo egni, ai tonnau ynteu fortecsau?

Cydnabyddiaethau

Mae’r awdur yn diolch i’r holl dimau offer Cluster, a’r tim archifio. Gellir lawrlwytho data Cluster oddi ar y wefan https://csa.esac.esa.int/csa-web/

 

Llyfryddiaeth

  1. R & Carbone, V Living Rev. Sol. Phys. 10, 2 2013
  2. Torrence, C., & Compo, G. 1998, BAMS, 79, 61
  3. Escoubet, C. P., Schmidt, R., & Goldstein, M. 1997, SSRv, 79, 11
  4. Cornilleau-Wehrlin, N., Chanteur, G., Perraut, S., et al. 2003, AnGeo, 21, 437
  5. Balogh, A., Carr, C., Acuña, M. H., et al. 2001, AnGeo, 19, 1207