Космическая плазма. Большая энциклопедия нефти и газа

Задумывались ли Вы когда-нибудь над тем, что содержится в межзвёздном или в межгалактическом пространстве? В космосе технический вакуум, а стало быть ничего не содержится (не в абсолютном смысле, что ничего не содержится, а в относительном смысле). И Вы будете правы, потому что в среднем в межзвёздном пространстве около 1000 атомов на кубический сантиметр и на очень огромных расстояниях плотность вещества ничтожно мала. Но тут не всё так просто и однозначно. Пространственное распределение межзвёздной среды нетривиально. Помимо общегалактических структур, таких как перемычка (бар) и спиральные рукава галактик, есть и отдельные холодные и тёплые облака, окружённые более горячим газом. В межзвёздной среде (МЗС) огромное количество стуктур: гигантские молекулярные облака, отражательные туманности, протопланетные туманности, планетарные туманности, глобулы и т. д. Это приводит к широкому спектру наблюдательных проявлений и процессов, происходящих в среде. Далее списком перечисляются стуктуры, присутствующие в МЗС:

• Корональный газ
• Яркие области HII
• Зоны HII низкой плотности
• Межоблачная среда
• Тёплые области HI
• Мазерные конденсации
• Облака HI
• Гигантские молекулярные облака
• Молекулярные облака
• Глобулы

Плазма состоит из заряженных и нейтральных частиц. Положительно заряженными частицами являются положительные ионы и дырки(плазма твёрдого тела), а отрицательно заряженными частицами - электроны и отрицательные ионы. Прежде всего необходимо знать концентрации того или иного сорта частиц. Плазма считается слабо ионизированная, если так называемая степень ионизации, равная

Где - концентрация электронов, - концентрация всех нейтральных частиц в плазме, лежит в диапазоне . А полностью ионизированная плазма имеет степень ионизации

Но как было сказанно выше, что не всякий ионизованный газ представляет собой плазму. Необходимо чтобы плазма обладала свойством квазинейтральности , т.е. в среднем за достаточно большие промежутки времени и на достаточно больших расстояниях плазма была в целом нейтральная. Но каковы эти промежутки времени и расстояния, при котором газ можно считать плазмой?

Итак, требование квазинейтральности следующее:

Таким образом естесственно принять за временной масштаб разделения зарядов величину, обратную ленгмюровской частоте

Но также необходимо оценить и пространственные масштабы, чтобы точно показать, что космос - это плазма. Из физических соображений ясно, что этот пространственный масштаб определяется длиной, на которую может сместится возмущение плотности заряженных частиц вследствие их теплового движения за время, равное периоду плазменных колебаний. Таким образом, пространнственный масштаб равен

Итак, мы получили длину, которую в физике называют электронный дебаевский радиус или длина .

Сейчас я покажу более строгий вывод уравнения Дебая. Опять представим себе N электронов, которые под действием электрического поля смещаются на некоторую величину. При этом образуется слой объёмного заряда с плотностью равной , где - заряд электрона, - концентрация электронов. Из электростатики хорошо известна формула Пуассона

В межзвёздной среде дебаевская длина равна около 10 метров, в межгалактической среде около метров. Мы видим, что это достаточно большие величины, по сравнению, например, с диэлектриками. Это означает, что электрическое поле распространяется без затухания на эти расстояния, распределяя заряды в объёмные заряженные слои, частицы которых колеблются около положений равновесия с частотой, равной ленгмюровской.

Из этой статьи мы узнали две фундаментальные величины, которые определяют является ли космическая среда плазмой, несмотря на то, что плотность этой среды предельно мала и космос в целом является физическим вакуумом в макроскопических масштабах. В локальных масштабах мы имеем как газ, пыль, либо плазму

Теги:

• плазма
• физика
• космос

Межзвездные атомы гелия представляют собой уникальный источник информации о параметрах Локальной межзвездной среды, окружающей гелиосферу, - область космического пространства, занимаемую солнечным ветром. В 1990–2007 гг. потоки межзвездных атомов гелия измерялись на космическом аппарате "Улисс" (Ulysses ). А с 2009 г. эти потоки измеряются на американском космическом аппарате Interstellar Boundary Explorer (IBEX), основной целью которого является удаленная диагностика свойств границы гелиосферы.

Академик Лев Матвеевич Зеленый, директор института космических исследований (ИКИ) в беседе с главным редактором журнала рассказал о роли космической погоды в исследовании космоса и о об исследованиях, поставивших суровые ограничения сроков пребывания в космосе.

Профилактика. Эфир от 22.06.2011

Политолог Дмитрий Абзалов помогает разобраться, зачем "Единая Россия" предложила возродить милицию. Ведущие обсуждают роль Общероссийского народного фронта в выборах губернаторов. Анатолий Петрукович, представитель Института космических исследований РАН, рассказывает о том, что такое магнитные бури и насколько они для нас опасны. Ансамбль "Казачий круг" исполняет альтернативные военные песни.

Миссия «Cluster», восставшая из огня подобно Фениксу

После первого неудачного запуска ракеты «Ariane-5», потерпевшей катастрофу практически на старте в июне 1996 г., четырехспутниковая система «Cluster» Европейского космического агентства была, наконец, запущена летом 2000 г. носителями «Союз-Фрегат» с космодрома Байконур. Цель миссии «Cluster» - исследовать земную магнитосферу и установить, какое влияние оказывает на нее солнечная активность.

Квартет «Cluster» исследует тайны магнитосферы

Четырехспутниковая миссия «Cluster» позволяет производить идентичные измерения сразу в четырех точках пространства (впервые в истории магнитосферных исследований!)*. Благодаря этому удается исследовать трехмерную структуру объектов, определять плотность тока и, главное, разделять пространственный и временной эффекты в наблюдении изучаемых явлений.

>>Физика: Плазма

Сейчас вы познакомитесь с четвертым состоянием вещества - плазмой. Это состояние не является экзотическим. Подавляющая часть вещества Вселенной находится именно в состоянии плазмы.
При очень низких температурах все вещества находятся в твердом состоянии. Их нагревание вызывает переход веществ из твердого состояния в жидкое. Дальнейшее повышение температуры приводит к превращению жидкостей в газ.
При достаточно больших температурах начинается ионизация газа за счет столкновений быстродвижущихся атомов или молекул. Вещество переходит в новое состояние, называемое плазмой . Плазма - это частично или полностью ионизованный газ, в котором локальные плотности положительных и отрицательных зарядов практически совпадают. Таким образом, плазма в целом является электрически нейтральной системой. В зависимости от условий степень ионизации плазмы (отношение числа ионизованных атомов к их полному числу) может быть различной. В полностью ионизованной плазме нейтральных атомов нет.
Наряду с нагреванием, ионизация газа и образование плазмы могут быть вызваны различными излучениями или бомбардировкой атомов газа быстрыми заряженными частицами. При этом получается так называемая низкотемпературная плазма .
Свойства плазмы. Плазма обладает рядом специфических свойств, что позволяет рассматривать ее как особое, четвертое состояние вещества.
Из-за большой подвижности заряженные частицы плазмы легко перемещаются под действием электрических и магнитных полей. Поэтому любое нарушение электрической нейтральности отдельных областей плазмы, вызванное скоплением частиц одного знака заряда, быстро ликвидируется. Возникающие электрические поля перемещают заряженные частицы до тех пор, пока электрическая нейтральность не восстановится и электрическое поле не станет равным нулю.
В отличие от нейтрального газа, между молекулами которого существуют короткодействующие силы, между заряженными частицами плазмы действуют кулоновские силы , сравнительно медленно убывающие с расстоянием. Каждая частица взаимодействует сразу с большим количеством окружающих частиц. Благодаря этому, наряду с беспорядочным (тепловым) движением, частицы плазмы могут участвовать в разнообразных упорядоченных (коллективных) движениях. В плазме легко возбуждаются разного рода колебания и волны.
Проводимость плазмы увеличивается по мере роста степени ее ионизации. При высоких температурах полностью ионизованная плазма по своей проводимости приближается к сверхпроводникам.
Плазма в космическом пространстве. В состоянии плазмы находится подавляющая (около 99%) часть вещества Вселенной. Вследствие высокой температуры Солнце и другие звезды состоят в основном из полностью ионизованной плазмы.
Из плазмы состоит и межзвездная среда, заполняющая пространство между звездами и галактиками. Плотность межзвездной среды очень мала - в среднем менее одного атома на 1 см 3 . Ионизация атомов межзвездной среды вызывается излучением звезд и космическими лучами - потоками быстрых частиц, пронизывающими пространство Вселенной по всем направлениям. В отличие от горячей плазмы звезд температура межзвездной плазмы очень мала.
Плазмой окружена и наша планета. Верхний слой атмосферы на высоте 100-300 км представляет собой ионизованный газ - ионосферу . Ионизация воздуха в верхнем слое атмосферы вызывается преимущественно излучением Солнца и потоком заряженных частиц, испускаемых Солнцем. Выше ионосферы простираются радиационные пояса Земли, открытые с помощью спутников. Радиационные пояса также состоят из плазмы.
Многими свойствами плазмы обладают свободные электроны в металлах. В отличие от обычной плазмы в плазме твердого тела положительные ионы не могут перемещаться по всему телу.
Частично или полностью ионизованный газ называют плазмой. Звезды состоят из плазмы. Расширяется техническое применение плазмы .

Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотский, Физика 10 класс

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку,

Основная особенность физического состояния межзвездной среды (МЗС) ее крайне низкая плотность. Типичные величины - 0.1-1000 атомов в куб. см, и при характерных скоростях молекул около 10 км/с время столкновения между отдельными частицами достигает десятков и тысяч лет. Это время на много порядков превышает характерные времена жизни атомов в возбужденных состояниях (на разрешенных уровнях - порядка с). Следовательно, поглощенный атомом фотон успевает вновь излучаться с возбужденного уровня, вероятность истинного поглощения неионизующих квантов атомами МЗС (когда энергия поглощенного фотона переходит в кинетическую энергию хаотического движения частиц) крайне мала.

Линия поглощения становится различимой на фоне непрерывного спектра (континуума) уже при оптических толщинах в центре линии . Сечение поглощения связано с оптической толщой соотношением где - число атомов на луче зрения. Т.к. поглощающий в линии атом можно представить как гармонический осциллятор с затуханием, то расчет и классический, и квантовомеханический дает для профиля сечения поглощения

4.1.1 Отсутствие локального термодинамического равновесия

Прозрачность МЗС для излучения определят важнейшее физическое свойство межзвездной плазмы - отсутствие локального термодинамического равновесия (ЛТР). Напомним, что в условиях полного термодинамического равновесия все прямые и обратные процессы идут с одинаковыми скоростями (т.н. принцип детального баланса) и существует только одно значение температуры, которое определяет физическое состояние среды (локальное ТДР означает, что в каждой точке детальное равновесие существует и поддерживает ТДР, но температура является функцией координат и времени) 4.2 .

Приближение ЛТР отлично работает в случае больших оптических толщин (например, в недрах звезд), причем не-ЛТР эффекты становятся заметными только с (например, в фотосферах звезд, откуда фотоны свободно уходят в пространство).

В межзвездной среде концентрация атомов мала, частиц в куб. см, оптические толщины малы и ЛТР не выполняется. Это связано с тем, что (а) температура излучения в МЗС (в основном, излучение звезд) высока К, а электронная и ионная температуры плазмы определяются столкновениями частиц и могут сильно отличаться от температуры излучения. Распределение атомов и ионов по населенностям уровней определяется балансом процессов ионизации и рекомбинации, однако в отличие от ЛТР, не выполняется принцип детального баланса. Например, в корональном приближении (предел низкой плотности частиц, название происходит от физического состояния плазмы в Солнечной короне) ионизациия атомов производится электронным ударом, а снятие возбуждения - спонтанными излучательными переходами, в зонах HII и в квазарах газ ионизован жестким УФ-излучением центрального источника и населенность уровней определяется процессами излучательной рекомбинации. В этих примерах прямые и обратные элементарные процессы имеют разную природу, поэтому условия далеки от равновесных. Однако даже в очень разреженной космической плазме Максвелловское распределение электронов по скоростям устанавливается (со своей температурой) за время много меньше характерного времени между соударениями частиц из-за дальнодействия кулоновских сил 4.3 поэтому для распределения частиц по энергиям можно пользоваться формулой Больцмана.

4.1.2 Вмороженность магнитного поля

Важнейшей компонентой МЗС, во многом определяюшей ее динамику, является крупномасштабное магнитное поле галактики. Среднее значение магнитного поля Галактики около Гс. В условиях космической плазмы магнитное поле в подавляющем большинстве ситуаций вморожено в среду. Вмороженность магнитного поля в среду означает сохранение магнитного потока через замкнутый проводящий контур при его деформации: . В лабораторных условиях сохранение магнитного потока возникает в средах с высокой проводимостью 4.4 . Однако в условиях космической плазмы более существенны большие характерные размеры рассматриваемых контуров и, соответственно, большие времена затухания магнитного поля по сравнению с временем изучаемого процесса. Покажем это. Рассмотрим объем плазмы , в котором текут токи с плотностью (плотность тока есть сила тока отнесенная к единичной площадке, перпендикулярной направлению тока). В соответствии с уравнениями Максвелла, токи порождают магнитное поле . Ток в плазме с конечной проводимостью затухает из-за Джоулевых потерь, связанных со столкновениями электронов с ионами. Выделяемое тепло в единицу времени в единичном объеме плазмы есть . Магнитная энергия в единице объема есть . Следовательно, характерное время диссипации магнитной энергии в тепло (и соответствующее затухание поля) в объеме с характерным размером определяется как

Вмороженность магнитного поля в плазму является хорошим приближением практически во всех астрофизических ситуациях (даже при динамических процессах коллапса ядер звезд из-за коротких характерных времен). Однако в малых масштабах это приближение может не выполняться, особенно на масштабах резкого изменения поля. Эти места характеризуются резкими поворотами магнитных силовых линий.

4.1.3 Запрещенные линии

Отличительной характеристикой излучения, возникающего в оптически тонкой разреженной среде, является возможность излучения в запрещенных линиях атомов. Запрещенные спектральные линии - линии, образующиеся при переходах в атомах с метастабильных уровней (т.е. запрещенные правилами отбора для электрических дипольных переходов). Характерное время жизни атома в метастабильном состоянии - от c до неск. суток и более. При высоких концентрациях частиц ( в земной атмосфере, см в солнечной фотосфере) столкновения частиц снимают возбуждение атомов и запрещенные линии не наблюдаются.

Действительно, рассмотрим линию, образующуюся при переходе с уровня на уровень с вероятностью перехода (число переходов в единицу времени), выходящую из объема оптически тонкой плазмы. Светимость в линии

Где - энергия одного фотона, , - относительная концентрация иона элемента Х на уровне , - обилие элемента Х относительно водорода. Т.к. вероятность мала, запрещенные линии оказываются чрезвычайно слабыми. В условиях ЛТР заселенность уровня определяется формулой Больцмана и не зависит от концентрации электронов.

В условиях низкой плотности ситуация иная. Рассмотрим, например, корональное приближение , когда ионизация атомов осуществляется только электронными ударами. При Максвелловском распределении по скоростям доля электронов с энергией, достаточной для возбуждения -го уровня . Частота столкновений, приводящая к возбуждению, ( [см/c]- скорость возбуждения атома на -й уровень электронным ударом, отнесенная к единичному объему). Полная вероятность радиативного распада уровня на остальные уровни , и из баланса возбуждения-распада получаем относительную концентрацию

Видно, что (1) и (2) фактор ветвления может быть порядка 1 (например, для нижних возбужденных уровней). Это означает, что мощность излучения как в разрешенных, так и в запрещенных линиях в корональном приближении должна быть одного порядка и зависит от величины