Plazma v vesolju. Plazemski kristali: od vesoljskih raziskav do medicinske uporabe na Zemlji in nazaj v vesolje

>>Fizika: Plazma

Zdaj se boste seznanili s četrtim agregatnim stanjem – plazmo. To stanje ni eksotično. Velika večina snovi v vesolju je v stanju plazme.
Pri zelo nizke temperature vse snovi so v trdnem stanju. Njihovo segrevanje povzroči prehod snovi iz trdnega v tekoče. Nadaljnje povišanje temperature vodi do pretvorbe tekočin v plin.
Ko bo dovolj visoke temperature ionizacija plina se začne zaradi trkov hitro premikajočih se atomov ali molekul. Snov preide v novo stanje, imenovano plazma. Plazma je delno ali popolnoma ioniziran plin, v katerem so lokalne gostote pozitivnih in negativni naboji praktično sovpadajo. Tako je plazma kot celota električno nevtralen sistem. Odvisno od pogojev se stopnja ionizacije plazme (razmerje med številom ioniziranih atomov in njihovo polna številka) se lahko razlikujejo. V popolnoma ionizirani plazmi ni nevtralnih atomov.
Poleg segrevanja lahko ionizacijo plina in nastajanje plazme povzročijo različna sevanja ali obstreljevanje plinskih atomov s hitro nabitimi delci. Pri tem nastane t.i nizkotemperaturna plazma.
Lastnosti plazme. Plazma ima vrsto specifičnih lastnosti, zaradi česar jo lahko obravnavamo kot posebno, četrto agregatno stanje.
Zaradi svoje visoke mobilnosti se nabiti delci plazme zlahka premikajo pod vplivom električnih in magnetnih polj. Zato se vsakršna kršitev električne nevtralnosti posameznih območij plazme, ki jo povzroči kopičenje delcev enakega predznaka naboja, hitro odpravi. Nastala električna polja premikajo nabite delce, dokler se električna nevtralnost ne vzpostavi in ​​električno polje postane enako nič.
Za razliko od nevtralnega plina, med molekulami katerega obstajajo sile kratkega dosega, med nabitimi delci plazme delujejo Coulombove sile, ki z razdaljo relativno počasi upadajo. Vsak delec takoj interagira z veliko število okoliške delce. Zaradi tega lahko plazemski delci skupaj z naključnim (toplotnim) gibanjem sodelujejo v različnih urejenih (kolektivnih) gibanjih. V plazmi se zlahka vzbudi različne vrste vibracije in valovi.
Prevodnost plazme se poveča, ko se poveča stopnja njene ionizacije. Pri visokih temperaturah se popolnoma ionizirana plazma po prevodnosti približa superprevodnikom.
Plazma v vesolje. Velika večina (približno 99 %) snovi v vesolju je v stanju plazme. Zaradi visoka temperatura Sonce in druge zvezde so sestavljene predvsem iz popolnoma ionizirane plazme.
Medzvezdni medij, ki zapolnjuje prostor med zvezdami in galaksijami, je prav tako sestavljen iz plazme. Gostota medzvezdnega medija je zelo nizka - v povprečju manj kot en atom na 1 cm3. Ionizacijo atomov v medzvezdnem mediju povzroča sevanje zvezd in kozmični žarki- tokovi hitrih delcev, ki prodirajo v vesolje v vseh smereh. V nasprotju z vročo plazmo zvezd je temperatura medzvezdne plazme zelo nizka.
Tudi naš planet je obdan s plazmo. Zgornji sloj ozračja na nadmorski višini 100-300 km je ioniziran plin - ionosfera. Ionizacija zraka v zgornji sloj Atmosfero povzroča predvsem sončno sevanje in tok nabitih delcev, ki jih oddaja Sonce. Nad ionosfero se raztezajo zemeljski sevalni pasovi, ki so jih odkrili sateliti. Sevalni pasovi so sestavljeni tudi iz plazme.
Plazma ima številne lastnosti prosti elektroni v kovinah. Za razliko od običajne plazme, plazma v trdnem stanju pozitivnih ionov ne more premikati po telesu.
Delno ali popolnoma ioniziran plin imenujemo plazma. Zvezde so narejene iz plazme. Širi se tehnično uporabo plazma

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Fizika 10. razred

Če imate popravke ali predloge za to lekcijo,

Ste kdaj razmišljali o tem, kaj vse vsebuje medzvezdni ali medgalaktični prostor? V vesolju je tehnični vakuum in zato nič ni vsebovano (ne v absolutnem smislu, da nič ni vsebovano, ampak v v relativnem smislu). In imeli boste prav, saj je v medzvezdnem prostoru v povprečju okoli 1000 atomov na kubični centimeter in zelo velike razdalje gostota snovi je zanemarljiva. Toda tukaj ni vse tako preprosto in nedvoumno. Prostorska porazdelitev medzvezdnega medija ni trivialna. Poleg splošnih galaktičnih struktur, kot so palice in spiralni kraki galaksij, obstajajo tudi posamezni hladni in topli oblaki, obdani z bolj vročim plinom. V medzvezdnem mediju (ISM) ogromno strukture: velikanski molekularni oblaki, refleksijske meglice, protoplanetarne meglice, planetarne meglice, kroglice itd. To vodi do širokega spektra opazovalnih manifestacij in procesov, ki se dogajajo v okolju. Naslednji seznam navaja strukture, ki so prisotne v MZS:

• Koronalni plin
• Svetle HII regije
• Območja nizke gostote HII
• Okolje med oblaki
• Topla območja HI
• Maser kondenzacije
• Oblaki HI
• Velikanski molekularni oblaki
• Molekularni oblaki
• Globule

Plazma je sestavljena iz nabitih in nevtralnih delcev. Pozitivno nabiti delci so pozitivni ioni in luknje (plazma trdna), negativno nabiti delci pa so elektroni in negativni ioni. Najprej je treba poznati koncentracije posamezne vrste delcev. Plazma se šteje za šibko ionizirano, če je tako imenovana stopnja ionizacije enaka

Kjer je koncentracija elektronov, je koncentracija vseh nevtralnih delcev v plazmi, leži v območju. In popolnoma ionizirana plazma ima določeno stopnjo ionizacije

Toda kot je bilo rečeno zgoraj, ni vsak ioniziran plin plazma. Potrebno je, da ima plazma lastnost kvazi nevtralnost, tj. v povprečju v dovolj dolgih časovnih obdobjih in dovolj dolge razdalje plazma je bila na splošno nevtralna. Kakšni pa so ti časovni intervali in razdalje, na katerih lahko plin štejemo za plazmo?

Zahteva kvazinevtralnosti je torej naslednja:

Tako je naravno, da vzamemo recipročno vrednost Langmuirjeve frekvence kot časovno lestvico ločevanja nabojev

Vendar pa je potrebno tudi ovrednotiti prostorske lestvice, da bi natančno pokazali, da je prostor plazma. Iz fizikalnih premislekov je jasno, da je ta prostorska lestvica določena z dolžino, za katero se lahko motnja v gostoti nabitih delcev premakne zaradi njihovega toplotnega gibanja skozi čas, enako obdobju plazemska nihanja. Tako je prostorsko merilo enako

Tako smo dobili dolžino, ki se v fiziki imenuje elektronski Debyejev polmer ali dolžina.

Zdaj bom prikazal bolj strogo izpeljavo Debyejeve enačbe. Ponovno si predstavljajmo N elektronov, ki pod vplivom električno polje premakniti za določeno količino. V tem primeru nastane plast prostorskega naboja z gostoto, ki je enaka , kjer je naboj elektrona in je koncentracija elektronov. Poissonova formula je dobro poznana iz elektrostatike

V medzvezdnem mediju je Debyejeva dolžina približno 10 metrov, v medgalaktičnem pa okoli metrov. Vidimo, da je dovolj velike količine, v primerjavi na primer z dielektriki. To pomeni, da se električno polje na teh razdaljah širi brez slabljenja in porazdeli naboje v volumetrične nabite plasti, katerih delci nihajo okoli ravnotežnih položajev s frekvenco, ki je enaka Langmuirjevi frekvenci.

Iz tega članka smo izvedeli dve temeljni količini, ki določata, ali vesoljsko okolje plazme, kljub temu, da je gostota tega medija izjemno nizka, prostor kot celota pa fizični vakuum v makroskopskem merilu. V lokalnem merilu imamo tako plin, prah oz plazma

Oznake:

• plazma
• fizika
• prostora

stran 1

Vesoljska plazma je lahko tako v mirnem kot turbulentnem stanju. Slednje se pojavi, ko je plazma pod močnim zunanjim nestacionarnim vplivom. V vesolju se takšni procesi pojavljajo pogosto.  

V vesoljski plazmi so najpogostejši ioni protoni.  

V kozmični plazmi se dogajajo določena hidrodinamična gibanja, katerih energija ni majhna. To so tisti, ki so spodbudni kot možen vir povečanih magnetnih polj. Ta mehanizem se običajno imenuje dinamo mehanizem. V tem primeru govorijo o ojačanju, ker je vsaka makroskopska teorija z določeno prevodnostjo simetrična glede na zamenjavo E, H - - - E, - H, medtem ko ohranja polje hitrosti in sil, rešitev z E - H - 0 obstaja, je za ustvarjanje polja potrebno uvesti interakcijo.  

V kozmični plazmi so frekvence trkov tako nizke, da je bolj primeren kinetični opis plazme brez trkov.  

Večina teoretično raziskovanje vesoljska plazma se je posvetil študiju homogene plazme. Vendar pa opazovanja kažejo, da je v večini primerov kozmična plazma zelo nehomogena. Ionosfera pogosto kaže majhno strukturo, ki je najbolj jasno izražena med aurorami. žarki aurora so pogosto zelo tanke, stopnja ionizacije in s tem prevodnost pa se lahko spreminjata za dva ali tri velikostne rede v nekaj kilometrih ali manj. Kot je pokazala študija porazdelitve žvižgajočih atmosferikov, ima očitno tudi magnetosfera vlaknato strukturo. sončno ozračje ima tudi sijočo strukturo. Bližje površini Sonca opazimo prominence, ki imajo običajno vlaknasto strukturo. Kromosfera je včasih predstavljena kot nitasti pleksus majhnih izboklin. V plinastih meglicah je pogosto vidna nitasta struktura. Torej plazma srednje gostote(in morda tudi plazma nizke gostote) je očitno pogosto zelo nehomogena in ima filamentno strukturo, katere elementi so vzporedni z magnetnim poljem. Zato se zdi pomembno razmisliti o mehanizmih, ki lahko ustvarijo takšno strukturo. Oddelek je posvečen temu vprašanju.  

Glede na to, da v vesoljski plazmi obstaja zelo širok razpon vseh možnih vrednosti parametrov - indukcija magnetnega polja B0, gostota r, temperature Te, Th, električno polje E, se bomo podrobneje posvetili vplivom, povezanim s prisotnostjo magnetnega polja in o merilih za uporabnost formul za ionsko zvočno nestabilnost in anomalen upor, ki smo jih obravnavali.  

Nasprotno, študije nenormalne odpornosti v kozmični plazmi bodo omogočile preučevanje, kako se ti obsežni procesi odvijajo skozi čas. Tako je mogoče pričakovati, da bodo magnetosferske študije problema anomalnega upora in dvojnih plasti pripeljale do popolnejšega razumevanja številnih vprašanj v fiziki turbulentne plazme in nadalje do uporabe pridobljenih rezultatov pri reševanju problemov v sončni svetlobi. fizika in astrofizika.  

MHD tokovi so značilni predvsem za kozmično plazmo.  

Kot kaže tabela. 3.2, za kozmično plazmo je pogoj (17) v večini primerov dobro izpolnjen.  

Pogoj N k Nkl, ki se uporablja za kozmično plazmo, se zdi precej strog. Navsezadnje močno elektromagnetno sevanje, ki lahko zahteva upoštevanje nelinearnosti, samo turbulizira plazmo zaradi istih procesov razpada. Če nelinearnost bistveno vpliva na intenzivnost elektromagnetno sevanje, potem to hkrati pomeni, da se pomemben del njegove energije prenese na plazemske valove [glej (4.56) 1, in ker je energija enega plazemskega vala veliko manjša od energije elektromagnetnega valovanja, to implicira N kl Nk - Vendar , možni so primeri, ko se plazemski valovi intenzivno absorbirajo in zato njihova energijska raven ostaja nizka. V vsakem primeru je problem nelinearnega prenosa elektromagnetni valovi v plazmi očitno ni mogoče ločiti od študija vzbujanja plazemske turbulence in interakcije sevanja z njo, zlasti sipanja in povečanja frekvence.  

Poudarek te knjige je bil na visokoenergijski komponenti kozmične plazme (CP), vendar je bila v poglavju podana tudi kratka razprava o lastnostih toplotne medplanetarne plazme. Zato knjiga daje nekaj vpogleda ne le v kozmične žarke, ampak tudi v druge dinamične procese v medplanetarnem mediju. Avtor upa, da mu je uspelo vsaj do neke mere reflektirati, bralec pa začutiti lepoto in raznolikost številnih telesne težave ki nastajajo pred raziskovalcem v tem mladem in hitro območje v razvoju fizika. Veliko težav je že rešenih in splošne ideje Toda številni problemi in še bolj specifični problemi čakajo na rešitev, njihovo število pa z razvojem raziskav narašča.  

Le pri Alfvenovih valovih je lahko opazen učinek sevanja relativističnih delcev v kozmični plazmi.  

Obstaja tudi druga možnost za razlago visokega efektivnega anomalnega upora v vesoljski plazmi, in sicer vpliv hidromagnetnih nihanj na efektivni upor. Ob tem je zanimivo poskusiti, da takšnih karakteristik ne specificiramo, ampak jih pridobimo na podlagi merilnih podatkov nihanja elektromagnetnih polj na satelitih.  

Takšno zaporedje dogodkov je treba pričakovati za tokovne plasti v astrofizikalni ali kozmični plazmi, ki imajo dimenzije večje od valovne dolžine najbolj nestabilnega načina in velike številke Reynolds. Prvič, trenutna plošča se zlomi v linearnem režimu pri valovni dolžini 4 5 / Yat najhitreje rastočega načina. Primarna združitev nato združi sosednje otoke.  

Obseg uporabe magnetohidrodinamike vključuje zelo raznolike fizične objekte, od tekočih kovin do kozmične plazme.  

Glavna značilnost fizično stanje medzvezdni medij (ISM) izjemno nizka gostota. Tipične vrednosti so 0,1-1000 atomov na kubični meter. cm, pri značilnih molekularnih hitrostih okoli 10 km/s pa čas trka med posameznimi delci doseže desetine in tisoče let. Ta čas je veliko redov velikosti daljši od značilnih življenjskih dob atomov v vzbujenih stanjih (na dovoljenih ravneh - reda c). Posledično ima foton, ki ga absorbira atom, čas, da se ponovno odda iz vzbujene ravni, verjetnost prave absorpcije neionizirajočih kvantov s strani atomov ISM (ko gre energija absorbiranega fotona v kinetična energija kaotično gibanje delcev) je izjemno majhna.

Absorpcijska črta postane razločljiva na ozadju zveznega spektra (kontinuuma) že pri optičnih debelinah v središču črte . Absorpcijski presek je povezan z optično globino z razmerjem kjer je število atomov na vidni črti. Ker atom, ki absorbira v liniji, lahko predstavimo kot harmonični oscilator z dušenjem, potem klasični in kvantno mehanski izračuni dajo absorpcijski presek za profil

4.1.1 Pomanjkanje lokalnega termodinamičnega ravnotežja

Transparentnost ISM za sevanje bo določala najpomembnejša fizikalna lastnost medzvezdne plazme – odsotnost lokalno termodinamično ravnotežje(LTR). Spomnimo se, da v pogojih popolno termodinamično ravnovesje vsi neposredni in obratni procesi potekajo z enakimi hitrostmi (tako imenovano načelo podrobnega ravnovesja) in obstaja samo ena temperaturna vrednost, ki določa fizično stanje okolja (lokalni SDR pomeni, da na vsaki točki obstaja podrobno ravnovesje in ohranja SDR, vendar je temperatura funkcija koordinat in časa) 4.2.

Približek LTE dobro deluje v primeru velikih optičnih debelin (na primer v notranjosti zvezd), ne-LTE učinki pa postanejo opazni šele pri (na primer v fotosferah zvezd, od koder fotoni prosto uhajajo v vesolje) .

IN medzvezdni medij koncentracija atomov je nizka, delcev na kubik cm, so optične debeline majhne in LTE se ne izvaja. To je posledica dejstva, da (a) je temperatura sevanja v ISM (predvsem sevanje zvezd) visoka K, temperatura elektronov in ionov v plazmi pa je določena s trki delcev in se lahko močno razlikuje od temperature sevanja. Porazdelitev atomov in ionov po populacijah ravni je določena z ravnovesjem ionizacijskih in rekombinacijskih procesov, vendar za razliko od LTE načelo podrobnega ravnovesja ni izpolnjeno. Na primer, v koronalni pristop(meja nizke gostote delcev, ime izhaja iz fizičnega stanja plazme v sončni koroni) ionizacija atomov poteka z udarom elektronov, deekscitacija pa s spontanimi sevalnimi prehodi; v conah HII in v kvazarjev je plin ioniziran s trdim UV-sevanjem iz osrednjega vira, naseljenost nivojev pa je določena z rekombinacijo sevalnih procesov. V teh primerih sta direktni in povratni elementarni proces različne narave, zato so pogoji daleč od ravnovesja. Vendar pa se tudi v zelo redki kozmični plazmi Maxwellova hitrostna porazdelitev elektronov vzpostavi (z lastno temperaturo) v času, ki je veliko krajši od značilnega časa med trki delcev zaradi interakcije na dolge razdalje Coulombove sile 4.3 zato lahko za porazdelitev delcev po energiji uporabimo Boltzmannovo formulo.

4.1.2 Zamrznjeno magnetno polje

Najpomembnejša komponenta ISM, ki v veliki meri določa njegovo dinamiko, je obsežno magnetno polje galaksije. Povprečna vrednost magnetnega polja Galaksije je približno G. V pogojih kozmične plazme je magnetno polje v veliki večini situacij zamrznjen v sredo. Zamrznitev magnetnega polja v medij pomeni ohranitev magnetnega pretoka skozi zaprto prevodno zanko med njeno deformacijo: . V laboratorijskih pogojih pride do ohranjanja magnetnega toka v okoljih z visoka prevodnost 4.4. Vendar pa so v pogojih vesoljske plazme pomembnejše velike značilne dimenzije obravnavanih kontur in s tem dolgi časi upadanja magnetnega polja v primerjavi s časom proučevanega procesa. Pokažimo ga. Vzemimo prostornino plazme, v kateri tečejo tokovi z gostoto (gostota toka je jakost toka na enoto površine, pravokotno na smer trenutno). Po Maxwellovih enačbah tokovi ustvarjajo magnetno polje. Tok v plazmi s končno prevodnostjo upada zaradi Joulove izgube, povezane s trki elektronov z ioni. Toplota, ki se sprosti na enoto časa v enoti volumna plazme, je . Magnetna energija na prostorninsko enoto je . Posledično je značilni čas disipacije magnetne energije v toploto (in ustrezno slabljenje polja) v volumnu z značilno velikostjo določen kot

Zamrznitev magnetnega polja v plazmo je dober približek v skoraj vseh astrofizikalnih situacijah (tudi v dinamičnih procesih kolapsa zvezdnega jedra zaradi kratkih značilnih časov). Vendar na majhnih merilih ta približek morda ne drži, zlasti na merilih nenadna sprememba polja. Za te kraje so značilni ostri zavoji silnic magnetnega polja.

4.1.3 Prepovedane linije

Posebna značilnost sevanja, ki nastane v optično tankem redkem mediju, je možnost sevanja v prepovedane linije atomi. Prepovedano spektralne črte- črte, ki nastanejo med prehodi v atomih z metastabilnih nivojev (t.j. prepovedane z izbirnimi pravili za električne dipolne prehode). Značilna življenjska doba atoma v metastabilnem stanju je od s do nekaj. dni ali več. Pri visokih koncentracijah delcev (in zemeljsko ozračje, cm v sončni fotosferi) trki delcev odstranijo vzbujanje atomov in prepovedane črte niso opažene.

Dejansko razmislimo o črti, ki nastane med prehodom iz nivoja v nivo z verjetnostjo prehoda (število prehodov na enoto časa), ki izhaja iz prostornine optično tanke plazme. Svetlost črte

kje - energija enega fotona, , - relativna koncentracija iona elementa X na ravni, - obilje element X glede na vodik. Ker verjetnost je majhna, prepovedane črte se izkažejo za izjemno šibke. V pogojih LTE je naseljenost ravni določena z Boltzmannovo formulo in ni odvisna od koncentracije elektronov.

V razmerah nizke gostote je situacija drugačna. Upoštevajte na primer koronalni pristop, ko se ionizacija atomov izvaja samo z udarci elektronov. Z Maxwellovo porazdelitvijo hitrosti je delež elektronov z zadostno energijo za vzbujanje th ravni . Pogostost trkov, ki vodijo do vzbujanja, je ([cm/s] je hitrost vzbujanja atoma na th nivo z udarcem elektrona, na enoto prostornine). Skupna verjetnost radiacijskega razpada nivoja v druge nivoje , iz ravnovesja vzbujanja in upadanja pa dobimo relativno koncentracijo

Jasno je, da (1) in (2) faktor razvejanja je lahko reda 1 (na primer za nižje vzbujene nivoje). To pomeni, da mora biti moč sevanja tako v dovoljenih kot v prepovedanih črtah v koronalnem približku istega reda in odvisna od magnitude

vesoljska plazma