Vesmírna plazma. Veľká encyklopédia ropy a zemného plynu

Zamysleli ste sa niekedy nad tým, čo je obsiahnuté v medzihviezdnom alebo medzigalaktickom priestore? Vo vesmíre je technické vákuum, a preto nie je nič obsiahnuté (nie v absolútnom zmysle, že nič nie je obsiahnuté, ale v v relatívnom zmysle). A budete mať pravdu, pretože v medzihviezdnom priestore je v priemere asi 1 000 atómov kubický centimeter a veľmi obrovské vzdialenosti hustota látky je zanedbateľná. Ale tu nie je všetko také jednoduché a jednoznačné. Priestorové rozloženie medzihviezdneho média je netriviálne. Okrem všeobecných galaktických štruktúr, ako sú tyčové a špirálové ramená galaxií, existujú aj jednotlivé studené a teplé oblaky obklopené teplejším plynom. V medzihviezdnom médiu (ISM) veľké množstvoštruktúry: obrie molekulárne oblaky, reflexné hmloviny, protoplanetárne hmloviny, planetárne hmloviny To vedie k širokému spektru pozorovacích prejavov a procesov vyskytujúcich sa v prostredí. Nasledujúci zoznam uvádza štruktúry prítomné v MZS:

• Koronálny plyn
• Svetlé oblasti HII
• HII zóny s nízkou hustotou
• Cross-cloud prostredie
• Teplé oblasti AHOJ
• Maserové kondenzácie
• Mraky HI
• Obrovské molekulárne oblaky
• Molekulárne oblaky
• Globule

Plazma pozostáva z nabitých a neutrálnych častíc. Kladne nabité častice sú kladné ióny a diery (plazma pevného tela) a záporne nabité častice sú elektróny a záporné ióny. V prvom rade je potrebné poznať koncentrácie konkrétneho typu častíc. Plazma sa považuje za slabo ionizovanú, ak je takzvaný stupeň ionizácie rovný

Kde je koncentrácia elektrónov, je koncentrácia všetkých neutrálnych častíc v plazme, leží v rozsahu. A plne ionizovaná plazma má stupeň ionizácie

Ale ako bolo povedané vyššie, nie každý ionizovaný plyn je plazma. Je potrebné, aby plazma mala vlastnosť kvázi-neutralita, t.j. v priemere počas dostatočne dlhých časových období a dostatočne dlhé vzdialenosti plazma bola vo všeobecnosti neutrálna. Aké sú však tieto časové intervaly a vzdialenosti, pri ktorých možno plyn považovať za plazmu?

Požiadavka kvázi-neutrality je teda nasledovná:

Preto je prirodzené brať prevrátenú hodnotu Langmuirovej frekvencie ako časový rozsah separácie náboja

Je však tiež potrebné vyhodnotiť priestorové mierky, aby sme presne ukázali, že priestor je plazma. Z fyzikálnych úvah je zrejmé, že táto priestorová mierka je určená dĺžkou, o ktorú sa môže posunúť porucha v hustote nabitých častíc v dôsledku ich tepelného pohybu v priebehu času, rovná perióde plazmové oscilácie. Priestorová mierka sa teda rovná

Takže sme dostali dĺžku, ktorá sa vo fyzike nazýva polomer alebo dĺžka elektrónu Debye.

Teraz ukážem presnejšie odvodenie Debyeovej rovnice. Predstavme si opäť N elektrónov, ktoré sú vplyvom elektrického poľa o určité množstvo posunuté. V tomto prípade sa vytvorí vrstva priestorového náboja s hustotou rovnajúcou sa , kde je náboj elektrónu a je koncentrácia elektrónov. Poissonov vzorec je dobre známy z elektrostatiky

V medzihviezdnom prostredí je dĺžka Debye okolo 10 metrov, v medzigalaktickom prostredí okolo metrov. Vidíme, že je toho dosť veľké množstvá v porovnaní napríklad s dielektrikami. To znamená, že elektrické pole sa šíri bez útlmu na tieto vzdialenosti a rozdeľuje náboje do objemových nabitých vrstiev, ktorých častice oscilujú okolo rovnovážnych polôh s frekvenciou rovnajúcou sa Langmuirovej frekvencii.

Z tohto článku sme sa dozvedeli dve základné veličiny, ktoré určujú či vesmírne prostredie plazma, napriek tomu, že hustota tohto média je extrémne nízka a priestoru ako celku áno fyzické vákuum v makroskopickom meradle. V lokálnom meradle máme aj plyn, prach, príp plazma

Značky:

• plazma
• fyzika
• priestor

Medzihviezdne atómy hélia predstavujú jedinečný zdroj informácií o parametroch Lokálneho medzihviezdneho prostredia obklopujúceho heliosféru - oblasť vonkajší priestor obsadené slnečný vietor. V rokoch 1990-2007 toky medzihviezdnych atómov hélia boli merané pri kozmická loď"Ulysses" (Ulysses). A od roku 2009 sa tieto toky merajú na americkej kozmickej lodi Interstellar Boundary Explorer (IBEX), ktorej hlavným účelom je na diaľku diagnostikovať vlastnosti hranice heliosféry.

Akademik Lev Matveevich Zeleny, riaditeľ ústavu vesmírny výskum(IKI) v rozhovore so šéfredaktorom magazínu hovorila o úlohe kozmického počasia pri prieskume vesmíru a o výskume, ktorý výrazne obmedzil dĺžku pobytu vo vesmíre.

Prevencia. Vysielané od 22.06.2011

Politológ Dmitrij Abzalov pomáha pochopiť prečo “ Jednotné Rusko" navrhol oživiť políciu. Prednášajúci diskutujú o úlohe Všeruského ľudového frontu v gubernátorských voľbách. Anatolij Petrukovič, zástupca Ústavu kozmického výskumu Ruskej akadémie vied, hovorí o tom, čo to je magnetické búrky a aké nebezpečné sú pre nás. súbor" Kozácky kruh“ predvádza alternatívne vojnové piesne.

Cluster Mission, Rising from Fire Like a Phoenix

Po prvom neúspešnom štarte rakety Ariane-5, ktorá sa zrútila takmer pri štarte v júni 1996, štvorsatelitný Klastrový systém európskeho vesmírna agentúra bola nakoniec vypustená v lete 2000 nosičmi Sojuz-Fregat z kozmodrómu Bajkonur. Cieľom misie Cluster je preskúmať magnetosféru Zeme a určiť, ako ju ovplyvňuje slnečná aktivita.

Kvarteto "Cluster" skúma záhady magnetosféry

Štvorsatelitná misia Cluster umožňuje vykonávať identické merania v štyroch bodoch vo vesmíre naraz (prvýkrát v histórii magnetosférického výskumu!)*. Vďaka tomu je možné skúmať trojrozmerná štruktúra objektov, určujú prúdovú hustotu a hlavne oddeľujú priestorové a časové vplyvy pri pozorovaní skúmaných javov.

>>Fyzika: Plazma

Teraz sa zoznámite so štvrtým stavom hmoty – plazmou. Tento stav nie je exotický. Prevažná väčšina hmoty vo vesmíre je v plazmovom stave.
Vo veľmi nízke teploty všetky látky sú v pevnom stave. Ich zahrievanie spôsobuje prechod látok z pevnej látky do kvapalnej. Ďalšie zvyšovanie teploty vedie k premene kvapalín na plyn.
Keď dosť vysoké teploty ionizácia plynu začína v dôsledku zrážok rýchlo sa pohybujúcich atómov alebo molekúl. Látka prechádza do nového stavu tzv plazma. Plazma je čiastočne alebo úplne ionizovaný plyn, v ktorom sú lokálne hustoty kladných a záporné náboje sa prakticky zhodujú. Plazma ako celok je teda elektricky neutrálny systém. V závislosti od podmienok, stupeň ionizácie plazmy (pomer počtu ionizovaných atómov k ich plný počet) môže sa líšiť. V plne ionizovanej plazme nie sú žiadne neutrálne atómy.
Spolu so zahrievaním môže byť ionizácia plynu a tvorba plazmy spôsobená rôznymi žiareniami alebo bombardovaním atómov plynu rýchlo nabitými časticami. Tým vzniká tzv nízkoteplotná plazma.
Vlastnosti plazmy. Plazma má množstvo špecifických vlastností, čo nám umožňuje považovať ju za zvláštne, štvrté skupenstvo hmoty.
Vďaka svojej vysokej mobilite sa nabité častice plazmy ľahko pohybujú pod vplyvom elektrických a magnetických polí. Preto je rýchlo eliminované akékoľvek narušenie elektrickej neutrality jednotlivých oblastí plazmy spôsobené nahromadením častíc s rovnakým nábojovým znamienkom. Výsledné elektrické polia pohybujú nabitými časticami, kým sa neobnoví elektrická neutralita a elektrické pole sa nestane rovná nule.
Na rozdiel od neutrálneho plynu, medzi ktorého molekulami existujú sily krátkeho dosahu, Coulombove sily pôsobia medzi nabitými časticami plazmy, pričom so vzdialenosťou klesajú relatívne pomaly. Každá častica okamžite interaguje veľké množstvo okolité častice. Vďaka tomu sa spolu s náhodným (tepelným) pohybom môžu častice plazmy podieľať na rôznych usporiadaných (kolektívnych) pohyboch. Ľahko excitovaný v plazme rôzne druhy vibrácie a vlny.
Vodivosť plazmy sa zvyšuje so zvyšovaním stupňa jej ionizácie. Pri vysokých teplotách sa plne ionizovaná plazma svojou vodivosťou približuje k supravodičom.
Plazma vo vesmíre. Prevažná väčšina (asi 99 %) hmoty vo vesmíre je v stave plazmy. Kvôli vysoká teplota Slnko a ostatné hviezdy sa skladajú predovšetkým z plne ionizovanej plazmy.
Medzihviezdne médium, ktoré vypĺňa priestor medzi hviezdami a galaxiami, pozostáva aj z plazmy. Hustota medzihviezdneho prostredia je veľmi nízka - v priemere menej ako jeden atóm na 1 cm3. Ionizáciu atómov v medzihviezdnom prostredí spôsobuje žiarenie hviezd a kozmické lúče- prúdy rýchlych častíc prenikajúce priestorom Vesmíru všetkými smermi. Na rozdiel od horúcej plazmy hviezd je teplota medzihviezdnej plazmy veľmi nízka.
Naša planéta je tiež obklopená plazmou. Horná vrstva atmosféry vo výške 100-300 km je ionizovaný plyn - ionosféra. Ionizácia vzduchu v Horná vrstva Atmosféru spôsobuje predovšetkým žiarenie zo Slnka a prúdenie nabitých častíc emitovaných Slnkom. Nad ionosférou sa rozprestierajú radiačné pásy Zeme, ktoré objavili satelity. Radiačné pásy pozostávajú aj z plazmy.
Plazma má mnoho vlastností voľných elektrónov v kovoch. Na rozdiel od klasickej plazmy, plazmy pevný kladné ióny nemôžu cestovať po celom tele.
Čiastočne alebo úplne ionizovaný plyn sa nazýva plazma. Hviezdy sú vyrobené z plazmy. Rozširujúce sa technická aplikácia plazma

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, fyzika 10. ročník

Ak máte opravy alebo návrhy k tejto lekcii,

Hlavná prednosť fyzická kondícia medzihviezdne médium (ISM) je extrémne nízka hustota. Typické hodnoty sú 0,1-1000 atómov na meter kubický. cm a pri charakteristických molekulových rýchlostiach okolo 10 km/s dosahuje čas kolízie medzi jednotlivými časticami desiatky a tisíce rokov. Tento čas je o mnoho rádov dlhší ako charakteristické doby života atómov v excitovaných stavoch (na povolených úrovniach – rádovo c). V dôsledku toho má fotón absorbovaný atómom čas na opätovné vyžarovanie z excitovanej úrovne, pravdepodobnosť skutočnej absorpcie neionizujúcich kvánt atómami ISM (keď energia absorbovaného fotónu prejde do Kinetická energia chaotický pohyb častíc) je extrémne malý.

Absorpčná čiara sa stáva rozlíšiteľnou na pozadí spojitého spektra (kontinua) už pri optických hrúbkach v strede čiary . Absorpčný prierez súvisí s optickou hĺbkou vzťahom kde je počet atómov na priamke pohľadu. Pretože atóm absorbujúci v línii môže byť reprezentovaný ako harmonický oscilátor s tlmením, potom klasické aj kvantovo mechanické výpočty poskytujú absorpčný prierez profilu

4.1.1 Nedostatok lokálnej termodynamickej rovnováhy

Transparentnosť ISM pre žiarenie bude určená najdôležitejšou fyzikálnou vlastnosťou medzihviezdnej plazmy – neprítomnosťou lokálna termodynamická rovnováha(LTR). Pamätajme na to v podmienkach úplná termodynamická rovnováha všetky priame a spätné procesy prebiehajú rovnakou rýchlosťou (tzv. princíp podrobnej rovnováhy) a existuje len jedna hodnota teploty, ktorá určuje fyzikálny stav prostredia (lokálny SDR znamená, že v každom bode existuje podrobná rovnováha a udržiava SDR, ale teplota je funkcia súradníc a času) 4.2.

Aproximácia LTE funguje dobre v prípade veľkých optických hrúbok (napríklad vo vnútri hviezd) a efekty bez LTE sa prejavia až pri (napríklad vo fotosférach hviezd, odkiaľ fotóny voľne unikajú do vesmíru) .

IN medzihviezdne médium koncentrácia atómov je nízka, častíc na meter kubický cm, optické hrúbky sú malé a LTE sa nevykonáva. Je to spôsobené skutočnosťou, že (a) teplota žiarenia v ISM (hlavne hviezdne žiarenie) je vysoká K a teploty elektrónov a iónov plazmy sú určené zrážkami častíc a môžu sa značne líšiť od teploty žiarenia. Rozloženie atómov a iónov v hladinových populáciách je dané rovnováhou ionizačných a rekombinačných procesov, avšak na rozdiel od LTE nie je splnený princíp detailnej rovnováhy. Napríklad v koronálny prístup(limit nízkej hustoty častíc, názov pochádza z fyzikálneho stavu plazmy v slnečnej koróne) ionizácia atómov sa uskutočňuje nárazom elektrónov a deexcitácia sa uskutočňuje spontánnymi radiačnými prechodmi v zónach HII a v kvazary, plyn je ionizovaný tvrdým UV žiarením z centrálneho zdroja a populácia hladín je určená rekombináciou radiačných procesov. V týchto príkladoch majú priame a reverzné elementárne procesy rôznu povahu, takže podmienky sú ďaleko od rovnováhy. Avšak aj vo veľmi riedkej kozmickej plazme je Maxwellovská distribúcia rýchlosti elektrónov stanovená (s vlastnou teplotou) v čase oveľa kratšom ako je charakteristický čas medzi zrážkami častíc v dôsledku interakcie na veľké vzdialenosti. Coulombovské sily 4.3 Preto na distribúciu častíc energiou môžeme použiť Boltzmannov vzorec.

4.1.2 Zamrznuté magnetické pole

Najdôležitejšou zložkou ISM, ktorá do značnej miery určuje jeho dynamiku, je veľkoplošné magnetické pole galaxie. Priemerná hodnota magnetické pole Galaxie okolo Gs. V podmienkach kozmickej plazmy je magnetické pole v drvivej väčšine situácií zmrazené v stredu. Zmrazenie magnetického poľa do média znamená zachovanie magnetického toku cez uzavretú vodivú slučku pri jeho deformácii: . V laboratórnych podmienkach dochádza k zachovaniu magnetického toku v prostrediach s vysoká vodivosť 4.4. V podmienkach kozmickej plazmy sú však významnejšie veľké charakteristické rozmery uvažovaných obrysov, a teda aj dlhé doby rozpadu magnetického poľa v porovnaní s časom skúmaného procesu. Ukážme to. Uvažujme objem plazmy, v ktorom prúdia prúdy s hustotou (hustota prúdu je sila prúdu na jednotku plochy, kolmo na smer prúd). Podľa Maxwellových rovníc vytvárajú prúdy magnetické pole. Prúd v plazme s konečnou vodivosťou klesá v dôsledku strát Joule spojených so zrážkami elektrónov s iónmi. Teplo uvoľnené za jednotku času v jednotkovom objeme plazmy je . Magnetická energia na jednotku objemu je . V dôsledku toho sa charakteristický čas rozptylu magnetickej energie na teplo (a zodpovedajúceho útlmu poľa) v objeme s charakteristickou veľkosťou určí ako

Zmrazovanie magnetického poľa do plazmy je dobrou aproximáciou takmer vo všetkých astrofyzikálnych situáciách (aj pri dynamických procesoch kolapsu hviezdneho jadra v dôsledku krátkych charakteristických časov). Na malých mierkach však táto aproximácia nemusí platiť, najmä pri mierkach náhla zmena poliach. Tieto miesta sú charakterizované ostrými zákrutami magnetických siločiar.

4.1.3 Zakázané linky

Charakteristickým znakom žiarenia vznikajúceho v opticky tenkom riedkom médiu je možnosť žiarenia v zakázané linky atómov. Zakázané spektrálne čiary- čiary vznikajúce pri prechodoch v atómoch z metastabilných hladín (t. j. zakázané výberovými pravidlami pre elektrické dipólové prechody). Charakteristická životnosť atómu v metastabilnom stave je od s do niekoľko. dní alebo viac. Pri vysokých koncentráciách častíc (in zemskú atmosféru, cm v slnečnej fotosfére) zrážky častíc odstraňujú excitáciu atómov a zakázané čiary nie sú pozorované.

Uvažujme totiž čiaru vytvorenú pri prechode z úrovne na úroveň s pravdepodobnosťou prechodu (počet prechodov za jednotku času) vychádzajúcu z objemu opticky tenkej plazmy. Svetelnosť riadku

Kde - energia jedného fotónu, , - relatívna koncentrácia iónu prvku X na úrovni, - hojnosti prvok X vo vzťahu k vodíku. Pretože pravdepodobnosť je nízka, zakázané čiary sa ukážu ako extrémne slabé. V podmienkach LTE je úroveň populácie určená Boltzmannovým vzorcom a nezávisí od koncentrácie elektrónov.

V podmienkach nízkej hustoty je situácia iná. Zvážte napr. koronálny prístup, kedy sa ionizácia atómov uskutočňuje iba nárazmi elektrónov. Pri Maxwellovom rozdelení rýchlosti je to podiel elektrónov s energiou dostatočnou na excitáciu tej hladiny . Frekvencia zrážok vedúcich k excitácii je ([cm/s] je rýchlosť excitácie atómu na tú úroveň nárazom elektrónu na jednotku objemu). Celková pravdepodobnosť radiačného rozpadu úrovne do iných úrovní a z rovnováhy excitácia-úpadok získame relatívnu koncentráciu

Je jasné, že (1) a (2) faktor vetvenia môže byť rádovo 1 (napríklad pre nižšie excitované hladiny). To znamená, že sila žiarenia v povolených aj zakázaných čiarach v koronálnej aproximácii by mala byť rovnakého rádu a závisí od veľkosti