Plasma espacial. Gran enciclopedia del petróleo y el gas.

¿Has pensado alguna vez en lo que contiene el espacio interestelar o intergaláctico? En el espacio hay un vacío técnico y, por tanto, nada está contenido (no en el sentido absoluto de que nada está contenido, sino en el sentido en un sentido relativo). Y tendrás razón, porque en promedio en el espacio interestelar hay alrededor de 1000 átomos por centímetro cúbico y muy grandes distancias la densidad de la sustancia es insignificante. Pero aquí no todo es tan simple e inequívoco. La distribución espacial del medio interestelar no es trivial. Además de las estructuras galácticas generales, como las barras y los brazos espirales de las galaxias, también hay nubes individuales frías y cálidas rodeadas de gas más caliente. En el medio interestelar (ISM) gran cantidad estructuras: nubes moleculares gigantes, nebulosas de reflexión, nebulosas protoplanetarias, nebulosas planetarias, glóbulos, etc. Esto conduce a una amplia gama de manifestaciones y procesos observacionales que ocurren en el medio ambiente. La siguiente lista enumera las estructuras presentes en el MZS:

• gas coronal
• Regiones HII brillantes
• Zonas HII de baja densidad
• Entorno entre nubes
• Zonas cálidas HOLA
• Condensaciones máser
• Nubes Hola
• Nubes moleculares gigantes
• Nubes moleculares
• Glóbulos

El plasma está formado por partículas cargadas y neutras. Las partículas cargadas positivamente son iones positivos y agujeros (plasma de cuerpo sólido), y las partículas cargadas negativamente son electrones y iones negativos. En primer lugar, es necesario conocer las concentraciones de un tipo particular de partícula. El plasma se considera débilmente ionizado si el llamado grado de ionización es igual a

Donde está la concentración de electrones, es la concentración de todas las partículas neutras en el plasma, se encuentra en el rango. Un plasma completamente ionizado tiene un grado de ionización

Pero como se dijo anteriormente, no todos los gases ionizados son plasma. Es necesario que el plasma tenga la propiedad. cuasi neutralidad, es decir. en promedio durante períodos de tiempo suficientemente largos y durante suficiente largas distancias el plasma era generalmente neutro. Pero ¿cuáles son esos intervalos de tiempo y distancias en los que un gas puede considerarse plasma?

Así, el requisito de cuasi-neutralidad es el siguiente:

Por tanto, es natural tomar el recíproco de la frecuencia de Langmuir como la escala de tiempo de separación de cargas.

Pero también es necesario evaluar escalas espaciales para demostrar con precisión que el espacio es plasma. A partir de consideraciones físicas, está claro que esta escala espacial está determinada por la longitud que una perturbación en la densidad de las partículas cargadas puede desplazar debido a su movimiento térmico a lo largo del tiempo. igual al periodo oscilaciones del plasma. Por tanto, la escala espacial es igual a

Entonces, obtuvimos la longitud, que en física se llama electrón Radio o longitud de Debye.

Ahora mostraré una derivación más rigurosa de la ecuación de Debye. Imaginemos nuevamente N electrones que, bajo la influencia de un campo eléctrico, se desplazan en cierta medida. En este caso, se forma una capa de carga espacial con una densidad igual a , donde es la carga del electrón y es la concentración del electrón. La fórmula de Poisson es bien conocida en electrostática.

En el medio interestelar, la longitud de Debye es de unos 10 metros, en el medio intergaláctico de unos metros. Vemos que es suficiente grandes cantidades, en comparación, por ejemplo, con los dieléctricos. Esto significa que el campo eléctrico se propaga sin atenuación a lo largo de estas distancias, distribuyendo cargas en capas volumétricas cargadas, cuyas partículas oscilan alrededor de posiciones de equilibrio con una frecuencia igual a la frecuencia de Langmuir.

De este artículo aprendimos dos cantidades fundamentales que determinan si entorno espacial plasma, a pesar de que la densidad de este medio es extremadamente baja y el espacio en su conjunto es vacío físico a escala macroscópica. A escala local tenemos gas, polvo o plasma

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Los átomos de helio interestelar representan una fuente única de información sobre los parámetros del medio interestelar local que rodea la heliosfera: la región espacio exterior ocupado viento solar. En 1990-2007 Los flujos de átomos de helio interestelares se midieron en astronave"Ulises" (Ulises). Y desde 2009, estos flujos se miden en la nave espacial estadounidense Interstellar Boundary Explorer (IBEX), cuyo objetivo principal es diagnosticar de forma remota las propiedades del límite de la heliosfera.

Académico Lev Matveevich Zeleny, director del instituto investigación del espacio(IKI) en una conversación con el editor jefe de la revista habló sobre el papel del clima espacial en la exploración espacial y sobre las investigaciones que han impuesto severas restricciones a la duración de la estancia en el espacio.

Prevención. Emitido desde el 22/06/2011

El politólogo Dmitry Abzalov ayuda a comprender por qué " Rusia Unida" propuso reactivar a la policía. Los presentadores discuten el papel del Frente Popular Panruso en las elecciones para gobernador. Anatoly Petrukovich, representante del Instituto de Investigaciones Espaciales de la Academia de Ciencias de Rusia, habla sobre lo que es tormentas magnéticas y lo peligrosos que son para nosotros. Conjunto" círculo cosaco" interpreta canciones de guerra alternativas.

Misión Clúster, surgiendo del fuego como un fénix

Tras el primer lanzamiento fallido del cohete Ariane-5, que se estrelló casi en el momento del lanzamiento en junio de 1996, el sistema Cluster de cuatro satélites de la Unión Europea agencia Espacial Fue finalmente lanzado en el verano de 2000 por portaaviones Soyuz-Fregat desde el cosmódromo de Baikonur. El propósito de la misión Cluster es explorar la magnetosfera de la Tierra y determinar cómo la afecta la actividad solar.

El cuarteto "Cluster" explora los misterios de la magnetosfera

La misión Cluster de cuatro satélites permite realizar mediciones idénticas en cuatro puntos del espacio a la vez (¡por primera vez en la historia de la investigación magnetosférica!)*. Gracias a esto es posible explorar estructura tridimensional objetos, determinar la densidad de corriente y, lo más importante, separar los efectos espaciales y temporales en la observación de los fenómenos en estudio.

>>Física: Plasma

Ahora conocerá el cuarto estado de la materia: el plasma. Esta condición no es exótica. La inmensa mayoría de la materia del Universo se encuentra en estado de plasma.
En muy temperaturas bajas todas las sustancias están en estado sólido. Su calentamiento provoca la transición de sustancias de sólido a líquido. Un mayor aumento de temperatura conduce a la transformación de líquidos en gases.
cuando sea suficiente altas temperaturas La ionización del gas comienza debido a las colisiones de átomos o moléculas que se mueven rápidamente. La sustancia pasa a un nuevo estado llamado plasma. Plasma es un gas parcial o totalmente ionizado en el que las densidades locales de positivo y cargas negativas prácticamente coinciden. Por tanto, el plasma en su conjunto es un sistema eléctricamente neutro. Dependiendo de las condiciones, el grado de ionización del plasma (la relación entre el número de átomos ionizados y su numero completo) puede variar. No hay átomos neutros en un plasma completamente ionizado.
Además del calentamiento, la ionización del gas y la formación de plasma pueden deberse a diversas radiaciones o al bombardeo de átomos de gas por partículas cargadas rápidamente. Esto produce el llamado plasma de baja temperatura.
Propiedades del plasma. El plasma tiene una serie de propiedades específicas, lo que nos permite considerarlo como un cuarto estado especial de la materia.
Debido a su alta movilidad, las partículas de plasma cargadas se mueven fácilmente bajo la influencia de campos eléctricos y magnéticos. Por lo tanto, se elimina rápidamente cualquier violación de la neutralidad eléctrica de áreas individuales del plasma causada por la acumulación de partículas del mismo signo de carga. Los campos eléctricos resultantes mueven partículas cargadas hasta que se restablece la neutralidad eléctrica y el campo eléctrico se vuelve igual a cero.
A diferencia de un gas neutro, entre cuyas moléculas existen fuerzas de corto alcance, entre las partículas de plasma cargadas existen fuerzas de Coulomb, que disminuyen relativamente lentamente con la distancia. Cada partícula interactúa inmediatamente con gran cantidad partículas circundantes. Debido a esto, junto con el movimiento aleatorio (térmico), las partículas de plasma pueden participar en una variedad de movimientos ordenados (colectivos). Se excita fácilmente en plasma. varios tipos vibraciones y ondas.
La conductividad del plasma aumenta a medida que aumenta el grado de ionización. A altas temperaturas, el plasma totalmente ionizado se aproxima en su conductividad a los superconductores.
Plasma en el espacio exterior. La gran mayoría (alrededor del 99%) de la materia del Universo se encuentra en estado de plasma. Debido a alta temperatura El Sol y otras estrellas están compuestos principalmente de plasma totalmente ionizado.
El medio interestelar, que llena el espacio entre estrellas y galaxias, también está formado por plasma. La densidad del medio interestelar es muy baja: en promedio, menos de un átomo por 1 cm 3. La ionización de los átomos en el medio interestelar es causada por la radiación de las estrellas y rayos cósmicos- corrientes de partículas rápidas que penetran el espacio del Universo en todas direcciones. A diferencia del plasma caliente de las estrellas, la temperatura del plasma interestelar es muy baja.
Nuestro planeta también está rodeado de plasma. La capa superior de la atmósfera a una altitud de 100 a 300 km es un gas ionizado. ionosfera. Ionización del aire en capa superior La atmósfera es causada principalmente por la radiación del Sol y el flujo de partículas cargadas emitidas por el Sol. Por encima de la ionosfera se extienden los cinturones de radiación de la Tierra, descubiertos por satélites. Cinturones de radiación también consisten en plasma.
Los plasmas tienen muchas propiedades. electrones libres en metales. A diferencia del plasma convencional, el plasma sólido Los iones positivos no pueden viajar por todo el cuerpo.
El gas parcial o totalmente ionizado se llama plasma. Las estrellas están hechas de plasma. En expansión aplicación técnica plasma

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Física, décimo grado

Si tiene correcciones o sugerencias para esta lección,

Caracteristica principal condición física medio interestelar (ISM) es extremadamente baja densidad. Los valores típicos son 0,1-1000 átomos por metro cúbico. cm, y a velocidades moleculares características de unos 10 km/s, el tiempo de colisión entre partículas individuales alcanza decenas y miles de años. Este tiempo es muchos órdenes de magnitud más largo que la vida útil característica de los átomos en estados excitados (en los niveles permitidos, del orden de c). En consecuencia, el fotón absorbido por el átomo tiene tiempo para ser reemitido desde el nivel excitado, la probabilidad de una verdadera absorción de cuantos no ionizantes por los átomos ISM (cuando la energía del fotón absorbido entra en energía cinética movimiento caótico de partículas) es extremadamente pequeño.

La línea de absorción se distingue del fondo de un espectro continuo (continuo) ya en espesores ópticos en el centro de la línea. . La sección transversal de absorción está relacionada con la profundidad óptica mediante la relación ¿Dónde está el número de átomos en la línea de visión? Porque un átomo que absorbe en una línea se puede representar como un oscilador armónico con amortiguación, entonces tanto los cálculos clásicos como los de la mecánica cuántica dan la sección transversal de absorción para el perfil.

4.1.1 Falta de equilibrio termodinámico local

La transparencia del ISM a la radiación estará determinada por la propiedad física más importante del plasma interestelar: la ausencia equilibrio termodinámico local(LTR). Recordemos que en condiciones equilibrio termodinámico completo Todos los procesos directos e inversos ocurren a las mismas velocidades (el llamado principio de equilibrio detallado) y solo hay un valor de temperatura que determina el estado físico del medio ambiente (SDR local significa que en cada punto existe un equilibrio detallado que mantiene el equilibrio). SDR, pero la temperatura es una función de las coordenadas y el tiempo) 4.2.

La aproximación LTE funciona bien en el caso de grandes espesores ópticos (por ejemplo, en el interior de las estrellas), y los efectos no LTE solo se notan (por ejemplo, en las fotosferas de las estrellas, desde donde los fotones escapan libremente al espacio). .

EN medio interestelar la concentración de átomos es baja, partículas por metro cúbico cm, los espesores ópticos son pequeños y no se realiza LTE. Esto se debe al hecho de que (a) la temperatura de radiación en el ISM (principalmente radiación estelar) es alta K, y las temperaturas de los electrones y los iones del plasma están determinadas por las colisiones de partículas y pueden diferir mucho de la temperatura de radiación. La distribución de átomos e iones sobre poblaciones niveladas está determinada por el equilibrio de los procesos de ionización y recombinación; sin embargo, a diferencia de LTE, no se cumple el principio de equilibrio detallado. Por ejemplo, en abordaje coronal(límite de baja densidad de partículas, el nombre proviene del estado físico del plasma en la corona solar) la ionización de los átomos se realiza mediante impacto de electrones y la desexcitación se realiza mediante transiciones radiativas espontáneas en las zonas HII y en; En los cuásares, el gas se ioniza mediante la fuerte radiación ultravioleta de la fuente central y la población de los niveles está determinada por procesos radiativos de recombinación. En estos ejemplos, los procesos elementales directos e inversos son de diferente naturaleza, por lo que las condiciones están lejos del equilibrio. Sin embargo, incluso en un plasma cósmico muy enrarecido, la distribución maxwelliana de velocidades de los electrones se establece (con su propia temperatura) en un tiempo mucho menor que el tiempo característico entre colisiones de partículas debido a la interacción de largo alcance. Fuerzas de Coulomb 4.3 Por tanto, para distribuir las partículas por energía, podemos utilizar la fórmula de Boltzmann.

4.1.2 Campo magnético congelado

El componente más importante del ISM, que determina en gran medida su dinámica, es el campo magnético a gran escala de la galaxia. Valor promedio campo magnético Galaxias alrededor de Gs. En condiciones de plasma cósmico, el campo magnético en la gran mayoría de situaciones. congelado El miércoles. La congelación de un campo magnético en un medio significa la conservación del flujo magnético a través de un circuito conductor cerrado durante su deformación: . En condiciones de laboratorio, la conservación del flujo magnético ocurre en ambientes con alta conductividad 4.4. Sin embargo, en las condiciones del plasma cósmico, las grandes dimensiones características de los contornos considerados y, en consecuencia, los largos tiempos de desintegración del campo magnético en comparación con el tiempo del proceso en estudio son más significativos. Mostrémoslo. Consideremos el volumen de plasma en el que las corrientes fluyen con densidad (la densidad de corriente es la intensidad de la corriente por unidad de área, perpendicular a la dirección actual). Según las ecuaciones de Maxwell, las corrientes generan un campo magnético. La corriente en un plasma con conductividad finita decae debido a las pérdidas de Joule asociadas con las colisiones de electrones con iones. El calor liberado por unidad de tiempo en una unidad de volumen de plasma es. La energía magnética por unidad de volumen es. En consecuencia, el tiempo característico de disipación de energía magnética en calor (y la correspondiente atenuación del campo) en un volumen con un tamaño característico se determina como

La congelación del campo magnético en el plasma es una buena aproximación en casi todas las situaciones astrofísicas (incluso en procesos dinámicos de colapso del núcleo estelar debido a los cortos tiempos característicos). Sin embargo, en escalas pequeñas esta aproximación puede no ser válida, especialmente en escalas cambio repentino campos. Estos lugares se caracterizan por giros bruscos de las líneas del campo magnético.

4.1.3 Líneas prohibidas

Una característica distintiva de la radiación que surge en un medio enrarecido ópticamente delgado es la posibilidad de radiación en lineas prohibidasátomos. Prohibido líneas espectrales- líneas formadas durante las transiciones en átomos desde niveles metaestables (es decir, prohibidas por las reglas de selección para transiciones de dipolos eléctricos). La vida útil característica de un átomo en estado metaestable es de s a varios. días o más. En altas concentraciones de partículas (en atmósfera terrestre, cm en la fotosfera solar) las colisiones de partículas eliminan la excitación de los átomos y no se observan líneas prohibidas.

De hecho, consideremos una línea formada durante una transición de un nivel a otro con una probabilidad de transición (el número de transiciones por unidad de tiempo) que emerge del volumen de un plasma ópticamente delgado. Luminosidad de la línea

Dónde - energía de un fotón, , - concentración relativa del ion del elemento X al nivel, - abundancia elemento X en relación con el hidrógeno. Porque la probabilidad es baja, las líneas prohibidas resultan extremadamente débiles. En condiciones LTE, el nivel de población está determinado por la fórmula de Boltzmann y no depende de la concentración de electrones.

En condiciones de baja densidad la situación es diferente. Considere, por ejemplo, abordaje coronal, cuando la ionización de los átomos se realiza únicamente mediante impactos de electrones. Con una distribución de velocidad Maxwelliana, la fracción de electrones con energía suficiente para excitar el nivel th . La frecuencia de las colisiones que conducen a la excitación es ([cm/s] es la velocidad de excitación de un átomo al nivel ésimo por impacto de electrones, por unidad de volumen). Probabilidad total de desintegración radiativa de un nivel hacia otros niveles , y del equilibrio excitación-caída obtenemos la concentración relativa

Está claro que (1) y (2) el factor de ramificación puede ser del orden de 1 (por ejemplo, para niveles excitados más bajos). Esto significa que la potencia de radiación en las líneas permitidas y prohibidas en la aproximación coronal debe ser del mismo orden y depende de la magnitud.