Plasma spatial. Grande encyclopédie du pétrole et du gaz

Avez-vous déjà pensé à ce que contient l’espace interstellaire ou intergalactique ? Dans l'espace il y a un vide technique, et donc rien n'est contenu (pas dans le sens absolu où rien n'est contenu, mais dans dans un sens relatif). Et vous aurez raison, car en moyenne dans l’espace interstellaire il y a environ 1000 atomes par centimètre cube et très de vastes distances la densité de la substance est négligeable. Mais ici, tout n'est pas si simple et sans ambiguïté. La répartition spatiale du milieu interstellaire n’est pas triviale. En plus des structures galactiques générales, telles que les barres et les bras spiraux des galaxies, il existe également des nuages ​​​​froids et chauds entourés de gaz plus chauds. Dans le milieu interstellaire (ISM) grande quantité structures : nuages ​​moléculaires géants, nébuleuses par réflexion, nébuleuses protoplanétaires, nébuleuses planétaires, globules, etc. Cela conduit à un large éventail de manifestations et de processus d'observation se produisant dans l'environnement. La liste suivante répertorie les structures présentes dans le MZS :

• Gaz coronal
• Régions HII lumineuses
• Zones HII à faible densité
• Environnement multi-cloud
• Zones chaudes SALUT
• Condensations Maser
• Nuages ​​Salut
• Nuages ​​moléculaires géants
• Nuages ​​moléculaires
• Globules

Le plasma est constitué de particules chargées et neutres. Les particules chargées positivement sont ions positifs et les trous (plasma de corps solide), et les particules chargées négativement sont des électrons et ions négatifs. Tout d’abord, il est nécessaire de connaître les concentrations d’un type particulier de particule. Le plasma est considéré comme faiblement ionisé si le soi-disant degré d'ionisation est égal à

Où est la concentration électronique, est la concentration de toutes les particules neutres dans le plasma, se situe dans la plage. Et un plasma entièrement ionisé a un certain degré d'ionisation

Mais comme nous l’avons dit plus haut, tous les gaz ionisés ne sont pas des plasmas. Il faut que le plasma ait la propriété quasi-neutralité, c'est à dire. en moyenne sur des périodes de temps suffisamment longues et pendant suffisamment longues distances le plasma était généralement neutre. Mais quels sont ces intervalles de temps et ces distances auxquels un gaz peut être considéré comme un plasma ?

Ainsi, l’exigence de quasi-neutralité est la suivante :

Ainsi, il est naturel de prendre l’inverse de la fréquence de Langmuir comme échelle de temps de séparation des charges.

Mais il est également nécessaire d’évaluer les échelles spatiales afin de montrer avec précision que l’espace est un plasma. D'après des considérations physiques, il est clair que cette échelle spatiale est déterminée par la longueur dont une perturbation de la densité des particules chargées peut se déplacer en raison de leur mouvement thermique au fil du temps, égale à la période oscillations du plasma. L’échelle spatiale est donc égale à

Nous avons donc obtenu la longueur, qui en physique s'appelle Rayon ou longueur de Debye de l'électron.

Je vais maintenant montrer une dérivation plus rigoureuse de l'équation de Debye. Imaginons à nouveau N électrons qui, sous l'influence d'un champ électrique, sont déplacés d'une certaine quantité. Dans ce cas, une couche de charge d'espace est formée avec une densité égale à , où est la charge électronique et la concentration électronique. La formule de Poisson est bien connue en électrostatique

Dans le milieu interstellaire, la longueur de Debye est d'environ 10 mètres, dans le milieu intergalactique d'environ 10 mètres. On voit que c'est suffisant grandes quantités, comparé, par exemple, aux diélectriques. Cela signifie que le champ électrique se propage sans atténuation sur ces distances, distribuant les charges en couches chargées volumétriques dont les particules oscillent autour de positions d'équilibre avec une fréquence égale à la fréquence de Langmuir.

De cet article, nous avons appris deux quantités fondamentales qui déterminent si environnement spatial plasma, malgré le fait que la densité de ce milieu est extrêmement faible et que l'espace dans son ensemble est vide physiqueà une échelle macroscopique. À l'échelle locale, nous avons à la fois du gaz, de la poussière ou plasma

Mots clés:

• plasma
• la physique
• espace

Les atomes d'hélium interstellaires représentent une source unique d'informations sur les paramètres du milieu interstellaire local entourant l'héliosphère - la région Cosmos occupé vent solaire. En 1990-2007 les flux d'atomes d'hélium interstellaire ont été mesurés à vaisseau spatial"Ulysse" (Ulysse). Et depuis 2009, ces flux sont mesurés à bord du vaisseau spatial américain Interstellar Boundary Explorer (IBEX), dont l'objectif principal est de diagnostiquer à distance les propriétés de la limite de l'héliosphère.

L'académicien Lev Matveevich Zeleny, directeur de l'institut recherche spatiale(IKI), lors d'une conversation avec le rédacteur en chef du magazine, a parlé du rôle de la météorologie spatiale dans l'exploration spatiale et des recherches qui ont imposé de sévères restrictions sur la durée du séjour dans l'espace.

La prévention. Diffusion du 22/06/2011

Le politologue Dmitri Abzalov aide à comprendre pourquoi " Russie unie" a proposé de relancer la police. Les présentateurs discutent du rôle du Front populaire panrusse dans les élections au poste de gouverneur. Anatoly Petrukovich, représentant de l'Institut de recherche spatiale de l'Académie des sciences de Russie, parle de ce que c'est orages magnétiques et combien ils sont dangereux pour nous. Ensemble" Cercle cosaque" interprète des chants de guerre alternatifs.

Mission Cluster, sortir du feu comme un phénix

Après le premier lancement infructueux de la fusée Ariane-5, qui s'est écrasée presque au lancement en juin 1996, le système de quatre satellites Cluster de la Commission européenne agence spatiale a finalement été lancé à l'été 2000 par les porte-avions Soyouz-Fregat depuis le cosmodrome de Baïkonour. Le but de la mission Cluster est d'explorer la magnétosphère terrestre et de déterminer comment l'activité solaire l'affecte.

Le quatuor "Cluster" explore les mystères de la magnétosphère

La mission Cluster, composée de quatre satellites, permet d'effectuer des mesures identiques en quatre points de l'espace à la fois (pour la première fois dans l'histoire de la recherche magnétosphérique !)*. Grâce à cela, il est possible d'explorer structure tridimensionnelle objets, déterminent la densité de courant et, surtout, séparent les effets spatiaux et temporels dans l'observation des phénomènes étudiés.

>>Physique : Plasma

Vous allez maintenant vous familiariser avec le quatrième état de la matière : le plasma. Cette condition n’est pas exotique. L’écrasante majorité de la matière de l’Univers est à l’état de plasma.
À très basses températures toutes les substances sont à l’état solide. Leur échauffement provoque la transition des substances du solide au liquide. Une augmentation supplémentaire de la température conduit à la transformation des liquides en gaz.
Quand assez hautes températures l'ionisation du gaz commence en raison de collisions d'atomes ou de molécules en mouvement rapide. La substance entre dans un nouvel état appelé plasma. Plasma est un gaz partiellement ou totalement ionisé dans lequel des densités locales de positif et charges négatives coïncident pratiquement. Ainsi, le plasma dans son ensemble est un système électriquement neutre. Selon les conditions, le degré d'ionisation du plasma (le rapport entre le nombre d'atomes ionisés et leur nombre) numéro complet) peut varier. Il n’y a pas d’atomes neutres dans un plasma entièrement ionisé.
Parallèlement au chauffage, l'ionisation des gaz et la formation de plasma peuvent être provoquées par diverses radiations ou par le bombardement d'atomes de gaz par des particules chargées rapidement. Cela produit ce qu'on appelle plasma à basse température.
Propriétés du plasma. Le plasma possède un certain nombre de propriétés spécifiques, ce qui nous permet de le considérer comme un quatrième état particulier de la matière.
En raison de leur grande mobilité, les particules de plasma chargées se déplacent facilement sous l'influence de champs électriques et magnétiques. Par conséquent, toute violation de la neutralité électrique de zones individuelles du plasma provoquée par l'accumulation de particules de même signe de charge est rapidement éliminée. Les champs électriques qui en résultent déplacent les particules chargées jusqu'à ce que la neutralité électrique soit rétablie et que le champ électrique devienne égal à zéro.
Contrairement à un gaz neutre, entre les molécules duquel existent des forces à courte portée, les forces coulombiennes agissent entre les particules de plasma chargées, diminuant relativement lentement avec la distance. Chaque particule interagit immédiatement avec gros montant particules environnantes. Pour cette raison, outre les mouvements (thermiques) aléatoires, les particules de plasma peuvent participer à une variété de mouvements (collectifs) ordonnés. Facilement excité dans le plasma diverses sortes vibrations et ondes.
La conductivité du plasma augmente à mesure que son degré d'ionisation augmente. À haute température, la conductivité du plasma entièrement ionisé se rapproche des supraconducteurs.
Plasma dans l’espace. La grande majorité (environ 99 %) de la matière de l’Univers est à l’état de plasma. En raison de haute température Le Soleil et les autres étoiles sont principalement composés de plasma entièrement ionisé.
Le milieu interstellaire, qui remplit l’espace entre les étoiles et les galaxies, est également constitué de plasma. La densité du milieu interstellaire est très faible - en moyenne moins d'un atome pour 1 cm 3. L'ionisation des atomes dans le milieu interstellaire est provoquée par le rayonnement des étoiles et rayons cosmiques- des flux de particules rapides pénétrant dans l'espace de l'Univers dans toutes les directions. Contrairement au plasma chaud des étoiles, la température du plasma interstellaire est très basse.
Notre planète est également entourée de plasma. La couche supérieure de l'atmosphère à une altitude de 100 à 300 km est un gaz ionisé - ionosphère. Ionisation de l'air dans couche supérieure L'atmosphère est principalement causée par le rayonnement du Soleil et le flux de particules chargées émises par le Soleil. Au-dessus de l'ionosphère s'étendent les ceintures de rayonnement terrestre, découvertes par les satellites. Ceintures de rayonnement sont également constitués de plasma.
Les plasmas ont de nombreuses propriétés électrons libres dans les métaux. Contrairement au plasma conventionnel, le plasma solide les ions positifs ne peuvent pas voyager dans tout le corps.
Un gaz partiellement ou totalement ionisé est appelé plasma. Les étoiles sont constituées de plasma. Expansion application technique plasma

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Physique 10e année

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Caractéristique principale condition physique le milieu interstellaire (ISM) est extrêmement faible densité. Les valeurs typiques sont de 0,1 à 1 000 atomes par mètre cube. cm, et à des vitesses moléculaires caractéristiques d'environ 10 km/s, le temps de collision entre les particules individuelles atteint des dizaines, voire des milliers d'années. Ce temps est plusieurs fois plus long que la durée de vie caractéristique des atomes dans les états excités (aux niveaux autorisés - de l'ordre de c). Par conséquent, le photon absorbé par l'atome a le temps d'être réémis depuis le niveau excité, la probabilité d'une véritable absorption des quanta non ionisants par les atomes ISM (lorsque l'énergie du photon absorbé passe dans énergie cinétique mouvement chaotique des particules) est extrêmement faible.

La raie d'absorption se distingue sur le fond d'un spectre continu (continuum) déjà aux épaisseurs optiques au centre de la raie . La section efficace d'absorption est liée à la profondeur optique par la relation où est le nombre d’atomes sur la ligne de mire. Parce que un atome absorbant dans une ligne peut être représenté comme un oscillateur harmonique avec amortissement, alors les calculs de mécanique classique et quantique donnent la section efficace d'absorption pour le profil

4.1.1 Absence d'équilibre thermodynamique local

La transparence de l'ISM au rayonnement sera déterminée par la propriété physique la plus importante du plasma interstellaire - l'absence équilibre thermodynamique local(LTR). Rappelons que dans des conditions équilibre thermodynamique complet tous les processus directs et inverses se produisent aux mêmes vitesses (ce qu'on appelle le principe de l'équilibre détaillé) et il n'y a qu'une seule valeur de température qui détermine l'état physique de l'environnement (le SDR local signifie qu'en chaque point un équilibre détaillé existe et maintient le SDR, mais la température est une fonction des coordonnées et du temps) 4.2.

L'approximation LTE fonctionne bien dans le cas de grandes épaisseurs optiques (par exemple, à l'intérieur des étoiles), et les effets non LTE ne deviennent perceptibles qu'avec (par exemple, dans les photosphères des étoiles, d'où les photons s'échappent librement dans l'espace) .

DANS milieu interstellaire la concentration d'atomes est faible, particules par mètre cube cm, les épaisseurs optiques sont faibles et le LTE n'est pas réalisé. Cela est dû au fait que (a) la température de rayonnement dans l'ISM (principalement le rayonnement stellaire) est élevée K, et les températures des électrons et des ions du plasma sont déterminées par des collisions de particules et peuvent différer considérablement de la température de rayonnement. La répartition des atomes et des ions sur les niveaux de population est déterminée par l'équilibre des processus d'ionisation et de recombinaison. Cependant, contrairement au LTE, le principe d'équilibre détaillé n'est pas respecté. Par exemple, dans approche coronale(limite de faible densité de particules, le nom vient de l'état physique du plasma dans la couronne solaire) l'ionisation des atomes s'effectue par impact électronique, et la désexcitation s'effectue par transitions radiatives spontanées dans les zones HII et dans ; quasars, le gaz est ionisé par le rayonnement UV dur de la source centrale et la population des niveaux est déterminée par des processus radiatifs de recombinaison. Dans ces exemples, les processus élémentaires directs et inverses sont de nature différente, les conditions sont donc loin de l'équilibre. Cependant, même dans un plasma cosmique très raréfié, la distribution maxwellienne des vitesses des électrons s'établit (avec sa propre température) en un temps bien inférieur au temps caractéristique entre collisions de particules dues à une interaction à longue portée. Forces coulombiennes 4.3 Par conséquent, pour répartir les particules en énergie, on peut utiliser la formule de Boltzmann.

4.1.2 Champ magnétique gelé

Le composant le plus important de l’ISM, qui détermine en grande partie sa dynamique, est le champ magnétique à grande échelle de la galaxie. Valeur moyenne champ magnétique Galaxies autour de Gs. Dans des conditions de plasma cosmique, le champ magnétique dans la grande majorité des situations congelé mercredi. La congélation d'un champ magnétique dans un milieu signifie la conservation du flux magnétique à travers une boucle conductrice fermée lors de sa déformation : . Dans des conditions de laboratoire, la conservation du flux magnétique se produit dans des environnements avec haute conductivité 4.4. Cependant, dans les conditions du plasma cosmique, les grandes dimensions caractéristiques des contours considérés et, par conséquent, les longs temps de décroissance du champ magnétique par rapport au temps du processus étudié sont plus importants. Montrons-le. Considérons le volume de plasma dans lequel circulent les courants avec densité (la densité de courant est l'intensité du courant par unité de surface, perpendiculaire à la direction actuel). Selon les équations de Maxwell, les courants génèrent un champ magnétique. Le courant dans un plasma à conductivité finie décroît en raison des pertes Joule associées aux collisions d'électrons avec des ions. La chaleur dégagée par unité de temps dans une unité de volume de plasma est de . L'énergie magnétique par unité de volume est . Par conséquent, le temps caractéristique de dissipation de l'énergie magnétique en chaleur (et l'atténuation de champ correspondante) dans un volume de taille caractéristique est déterminé comme suit :

La congélation du champ magnétique dans le plasma constitue une bonne approximation dans presque toutes les situations astrophysiques (même dans les processus dynamiques d'effondrement du noyau stellaire dus à des temps caractéristiques courts). Cependant, à petite échelle, cette approximation peut ne pas être valable, en particulier aux échelles changement soudain des champs. Ces endroits sont caractérisés par des virages serrés des lignes de champ magnétique.

4.1.3 Lignes interdites

Une caractéristique distinctive du rayonnement apparaissant dans un milieu raréfié optiquement mince est la possibilité d'un rayonnement dans lignes interdites atomes. Interdit raies spectrales- les lignes formées lors des transitions dans les atomes à partir de niveaux métastables (c'est-à-dire interdites par les règles de sélection pour les transitions dipolaires électriques). La durée de vie caractéristique d'un atome dans un état métastable va de s à plusieurs. jours ou plus. À des concentrations élevées de particules (en l'atmosphère terrestre, cm dans la photosphère solaire), les collisions de particules suppriment l'excitation des atomes et les raies interdites ne sont pas observées.

En effet, considérons une ligne formée lors d'une transition de niveau en niveau avec une probabilité de transition (le nombre de transitions par unité de temps) émergeant du volume d'un plasma optiquement mince. Luminosité des lignes

Où - l'énergie d'un photon, , - concentration relative de l'ion élément X au niveau, - abondanceélément X par rapport à l’hydrogène. Parce que la probabilité est faible, les lignes interdites s'avèrent extrêmement faibles. Dans les conditions LTE, le niveau de population est déterminé par la formule de Boltzmann et ne dépend pas de la concentration électronique.

Dans des conditions de faible densité, la situation est différente. Considérons, par exemple, approche coronale, lorsque l'ionisation des atomes s'effectue uniquement par impacts électroniques. Avec une distribution de vitesse maxwellienne, la fraction d'électrons ayant une énergie suffisante pour exciter le ème niveau . La fréquence des collisions conduisant à l’excitation est ([cm/s] est le taux d'excitation d'un atome jusqu'au ème niveau par impact électronique, par unité de volume). Probabilité totale de désintégration radiative d'un niveau vers d'autres niveaux , et à partir du bilan excitation-décroissance, nous obtenons la concentration relative

Il est clair que (1) et (2) le facteur de branchement peut être de l'ordre de 1 (par exemple, pour des niveaux excités plus faibles). Cela signifie que la puissance de rayonnement dans les lignes autorisées et interdites dans l'approximation coronale doit être du même ordre et dépend de l'ampleur.