Plasma dans l’espace. Cristaux de plasma : de la recherche spatiale aux applications médicales sur Terre et retour dans l'espace

>>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, il existe entre les particules de plasma chargées des forces coulombiennes, qui diminuent 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 Cosmos. 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. Les ceintures de rayonnement sont également constituées de plasma.
Les plasmas ont de nombreuses propriétés électrons libres dans les métaux. Contrairement au plasma conventionnel, le plasma solide ions positifs ne peut pas se déplacer 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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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 (non 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 des ions positifs et des trous (plasma 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. 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 champ électrique décaler d’un certain montant. 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

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Le plasma spatial peut être à la fois dans un état calme et turbulent. Cette dernière apparaît lorsque le plasma est soumis à une forte influence externe non stationnaire. Dans l’espace, de tels processus se produisent fréquemment.  

Dans le plasma spatial, les ions les plus courants sont les protons.  

Dans le plasma cosmique, certains mouvements hydrodynamiques ont lieu, dont l'énergie n'est pas petite. Ce sont ceux qui sont encourageants en tant que source possible d’augmentation des champs magnétiques. Ce mécanisme est généralement appelé mécanisme dynamo. Dans ce cas, on parle d'amplification car toute théorie macroscopique avec une certaine conductivité est symétrique par rapport au remplacement E, H - - - E, - H, tout en conservant le champ de vitesse et de forces, une solution avec E - H - 0 existe, pour créer le champ il faut introduire une interaction.  

Dans le plasma cosmique, les fréquences de collision sont si faibles qu’une description cinétique du plasma sans collision est plus adéquate.  

Majorité recherche théorique plasma spatial a été consacré à l’étude du plasma homogène. Cependant, les observations montrent que dans la plupart des cas, le plasma cosmique est très inhomogène. L'ionosphère présente souvent une structure à petite échelle, plus clairement exprimée lors des aurores. Des rayons aurore sont souvent très minces et le degré d'ionisation, et donc la conductivité, peut varier de deux ou trois ordres de grandeur sur quelques kilomètres ou moins. Comme l'a montré l'étude de la répartition des atmosphères sifflantes, la magnétosphère aurait également une structure fibreuse. atmosphère solaire a également une structure rayonnante. Plus près de la surface du Soleil, on observe des protubérances qui ont généralement une structure fibreuse. La chromosphère est parfois représentée comme un plexus filiforme de petites proéminences. Une structure filamenteuse est souvent visible dans les nébuleuses gazeuses. donc du plasma densité moyenne(et peut-être aussi le plasma de faible densité) est apparemment souvent très inhomogène et présente une structure filamentaire dont les éléments sont parallèles au champ magnétique. Il semble donc important de réfléchir aux mécanismes susceptibles de créer une telle structure. Une section est consacrée à cette question.  

Considérant que dans le plasma spatial il existe une très large gamme de toutes les valeurs possibles des paramètres - induction du champ magnétique B0, densité r, températures Te, Th, champ électrique E, attardons-nous plus en détail sur les effets liés à la présence d'un champ magnétique et sur les critères d'applicabilité des formules d'instabilité sonore ionique et de résistance anormale discutées par nous.  

Les études de résistance anormale dans le plasma cosmique permettront au contraire d’étudier comment ces processus à grande échelle se produisent au fil du temps. Ainsi, on peut s'attendre à ce que les études magnétosphériques du problème de la résistance anormale et des doubles couches conduisent à une compréhension plus complète de nombreuses questions liées à la physique des plasmas turbulents et, en outre, à l'application des résultats obtenus à la résolution de problèmes liés à l'énergie solaire. physique et astrophysique.  

Les flux MHD sont principalement caractéristiques du plasma cosmique.  

Comme le montre le tableau. 3.2, pour le plasma cosmique, la condition (17) est bien satisfaite dans la plupart des cas.  

La condition N k Nkl appliquée au plasma cosmique semble assez stricte. Après tout, un rayonnement électromagnétique puissant, qui peut nécessiter la prise en compte de la non-linéarité, turbulise lui-même le plasma en raison des mêmes processus de désintégration. Si la non-linéarité affecte de manière significative l'intensité un rayonnement électromagnétique, alors cela signifie simultanément qu'une partie importante de son énergie est transférée aux ondes de plasma [voir (4.56) 1, et puisque l'énergie d'une onde de plasma est bien inférieure à l'énergie d'une onde électromagnétique, cela implique N kl Nk - Cependant , des cas sont possibles où les ondes de plasma sont intensément absorbées et donc leur niveau d'énergie reste faible. Quoi qu'il en soit, le problème du transfert non linéaire ondes électromagnétiques dans le plasma, apparemment, ne peut être séparé de l'étude de l'excitation de la turbulence du plasma et de l'interaction du rayonnement avec celle-ci, en particulier de la diffusion et de l'augmentation de la fréquence.  

Ce livre se concentrait sur la composante de haute énergie du plasma cosmique (CP), mais une brève discussion des propriétés du plasma thermique interplanétaire a également été donnée au Chap. Par conséquent, le livre donne un aperçu non seulement des rayons cosmiques, mais également d’autres processus dynamiques dans le milieu interplanétaire. L'auteur espère qu'il a été au moins dans une certaine mesure capable de réfléchir et que le lecteur a pu ressentir la beauté et la diversité de nombreux Problèmes physiques surgissant devant le chercheur dans ce jeune et rapide zone en développement la physique. De nombreux problèmes ont déjà été résolus et idées générales résolus Mais de nombreux problèmes, et même des problèmes plus spécifiques, attendent d'être résolus, et leur nombre augmente à mesure que la recherche se développe.  

Ce n'est qu'avec les ondes d'Alfven que l'effet du rayonnement des particules relativistes dans le plasma cosmique peut être perceptible.  

Il existe également une autre possibilité pour expliquer la résistance anormale effective élevée dans le plasma spatial, à savoir l’influence des fluctuations hydromagnétiques sur la résistance effective. Dans le même temps, il est intéressant d’essayer non pas de préciser de telles caractéristiques, mais de les obtenir sur la base de données de mesure des champs électromagnétiques fluctuants des satellites.  

Il faut s'attendre à une telle séquence d'événements pour les nappes de courant dans le plasma astrophysique ou cosmique, qui ont des dimensions supérieures à la longueur d'onde du mode le plus instable et gros chiffres Reynolds. Premièrement, la feuille actuelle se brise en régime linéaire à une longueur d'onde de 4 5 / Yat du mode à croissance la plus rapide. La première fusion réunit alors les îles voisines.  

Le champ d'application de la magnétohydrodynamique comprend des objets physiques très divers, des métaux liquides au plasma cosmique.  

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 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 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 donc, 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. La valeur moyenne du champ magnétique de la Galaxie est d'environ G. Dans les conditions du 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 un circuit conducteur fermé 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

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 de 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.

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