Плазма в космическом пространстве. Плазменные кристаллы: от космических исследований до медицинских применений на Земле и вновь обратно в космос

>>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,

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

Cтраница 1

Космическая плазма может находиться и в спокойном, и в турбулентном состоянии. Последнее появляется тогда, когда плазма оказывается под сильным внешним нестационарным воздействием. В космосе такие процессы происходят часто.  

В космической плазме чаще всего ионами являются протоны.  

В космической плазме имеют место те или иные гидродинамические движения, энергия которых не мала. Вот они-то и обнадеживают как возможный источник усиления магнитных полей. Такой механизм обычно называют механизмом динамо. При этом говорят об усилении потому, что любая макроскопическая теория с определенной проводимостью симметрична относительно замены Е, Н - - - Е, - Н при сохранении поля скорости и сил, решение с Е - Н - 0 существует, для создания поля нужно ввести взаимодействие.  

В космической плазме частоты столкновений настолько малы, что более адекватным является бесстолкновительное кинетическое описание плазмы.  

Большинство теоретических исследований космической плазмы было посвящено изучению однородной плазмы. Однако наблюдения показывают, что в большинстве случаев космическая плазма сильно неоднородна. В ионосфере часто наблюдается мелкомасштабная структура, наиболее четко выраженная во время полярных сияний. Лучи полярного сияния часто очень тонки, и степень ионизации, а следовательно, и проводимость могут меняться на два или три порядка в пределах нескольких километров и менее. Как показало изучение распространения свистящих атмосфериков, магнитосфера, по-видимому, также имеет волокнистую структуру. Солнечная атмосфера также имеет лучистое строение. Ближе к поверхности Солнца наблюдаются протуберанцы, которые обычно имеют волокнистую структуру. Хромосферу иногда представляют в виде нитевидного сплетения небольших протуберанцев. Волокнистая структура часто бывает заметна в газовых туманностях. Итак, плазма средней плотности (а возможно, также и плазма низкой плотности), по-видимому, нередко сильно неоднородна и проявляет волокнистую структуру, элементы которой параллельны магнитному полю. Таким образом, представляется важным рассмотреть механизмы, которые могут создавать подобную структуру. Этому вопросу посвящен разд.  

Учитывая, что в космической плазме осуществляется очень широкий спектр всевозможных значений параметров - индукции магнитного поля В0, плотности я, температур Те, Th электрического поля Е, более подробно остановимся на эффектах, связанных с наличием магнитного поля, и на критериях применимости формул для ионно-звуковой неустойчивости и аномального сопротивления, обсуждаемых нами.  

Исследования аномального сопротивления в космической плазме, наоборот, дадут возможность изучить, как осуществляются эти крупномасштабные процессы во времени. Таким образом, можно ожидать, что магнитосферные исследования проблемы аномального сопротивления и двойных слоев приведут к более полному пониманию многих вопросов в физике турбулентной плазмы и, далее, к применению полученных результатов при решении проблем физики Солнца и в астрофизике.  

МГД течения характерны прежде всего для космической плазмы.  

Как показывает табл. 3.2, для космической плазмы условие (17) в большинстве случаев хорошо выполняется.  

Условие N k Nkl применительно к космической плазме кажется достаточно жестким. Ведь мощное элек тромагнитное излучение, для которого может потребоваться учет нелинейности, само турбулизирует плазму благодаря тем же распадным процессам. Если нелинейность существенно влияет на интенсивность электромагнитного излучения, то это означает одновременно и то, что значительная часть его энергии передается плазменным волнам [ см. (4.56) 1, а поскольку энергия одной плазменной волны много меньше энергии электромагнитной волны, то отсюда следует N kl Nk - Возможны, однако, случаи, когда плазменные волны интенсивно поглощаются, и поэтому уровень их энергии остается низким. Во всяком случае проблема нелинейного переноса электромагнитных волн в плазме, по-видимому, не может быть отделена от исследования возбуждения плазменной турбулентности и взаимодействия излучения с ней, в частности, рассеяния и увеличения частоты.  

Основное внимание в этой книге было уделено высокоэнергичной компоненте космической плазмы (КЛ), но краткое обсуждение свойств тепловой межпланетной плазмы также было дано в гл. Поэтому книга дает некоторое представление не только о КЛ, но также и о других динамических процессах в межпланетной среде. Автор надеется, что ему хотя бы в некоторой степени удалось отразить, а читатель сумел почувствовать красоту и многообразие многочисленных физических задач, возникающих перед исследователем в этой молодой и стремительно развивающейся области физики. Многие задачи уже решены, и общие представления выработаны Но немало проблем и еще больше частных задач ждет своего решения, причем их число нарастает по мере развития исследований.  

Только у альвеновских волн эффект излучения релятивистскими частицами в космической плазме может быть заметен.  

Имеется еще и другая возможность объяснить высокое эффективное аномальное сопротивление в космической плазме, а именно влиянием на эффективное сопротивление гидромагнитных флюктуации. В то же время представляет интерес попытаться не задавать подобные характеристики, а получить их исходя из данных измерений флюктуирующих электромагнитных полей на ИСЗ.  

Следует ожидать такую последовательность развития событий для токовых слоев в астрофизической или космической плазме, которые имеют размеры больше длины волны наиболее неустойчивой моды и большие числа Рейнольдса. Во-первых, токовый слой разрывается в линейном режиме на длине волны 4 5 / Ят наиболее быстро растущей моды. Затем первичное слияние объединяет соседние острова.  

В область применений магнитной гидродинамики входят очень разнообразные физические объекты-от жидких металлов до космической плазмы.  

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

космическая плазма