11.3. Понятие о плазме

При сильном нагревании любое вещество испаряется, превращаясь в газ. Если увеличивать температуру и дальше, резко усилится процесс термической ионизации, т.е. молекулы газа начнут распадаться на составляющие атомы, которые затем превращаются в ионы.

Свободные заряженные частицы, особенно электроны, легко перемещаются под действием электрического поля. Поэтому в состоянии равновесияпространственные заряды входящих в состав плазмы отрицательных электронов и положительных ионов должны компенсировать друг друга так, чтобы полное поле внутри плазмы было равно нулю. Отсюда вытекает необходимость точного равенства плотностей электронов и ионов – квазинейтральность плазмы. Нарушение квазинейтральности в объеме, занимаемом плазмой, ведет к появлению сильных электрических полей, восстанавливающих квазинейтральность. Оценим размеры области, в которой могут происходить заметные нарушения квазинейтральности. Предположим, что заряды положительных и отрицательных частиц одинаковы и равны элементарному заряду e. Пусть такая плазма заполняет пространство между плоскостями AB и MN (рис. 11.5). Допустим, что из-за тепловых флуктуаций отрицательные заряды сместились на расстояние l. Тогда на границах плазмы возникнут макроскопические заряды противоположных знаков с поверхностной плотностью  = n l e, где n – концентрация частиц одного знака заряда. Напряженность электрического поля в плазме будет Е =  = n l e, а плотность электрической энергии Е²/2 = (n l e)²/2. Поскольку энергия электрического поля в плазме черпается из кинетической энергии теплового движения частиц газа, величина Е²/2 не может превосходить 3 n k T. Следовательно, если опустить численный коэффициент 3, то должно быть (n l e)²/2 < n k T или l < D, где

(11.10)

Величина D называется дебаевской длиной или дебаевским радиусом. Таким образом, чтобы плазма сохраняла квазинейтральность, ее линейные размеры должны намного превосходить дебаевский радиус D. Электрическое поле отдельной частицы в плазме экранируется частицами противоположного знака, т.е. практически исчезает, на расстояниях порядка D от частицы.

В зависимости от степени ионизации  различают слабо ионизированную (при  порядка долей процента), умеренно ионизированную ( - несколько процентов) и полностью ионизированную плазму. В земных природных условиях плазма встречается довольно редко (например, в канале молнии). В верхних слоях атмосферы, в большей степени подверженных воздействию ионизирующих факторов (ультрафиолетовые и космические лучи), постоянно присутствует слабо ионизированная плазма – ионосфера, отражающая радиоволны и делающая возможной радиосвязь на больших расстояниях. В космическом пространстве плазма представляет собой наиболее распространенное состояние вещества. Солнце и горячие звезды, имеющие высокие температуры, состоят из полностью ионизированной плазмы. Поэтому многие проблемы астрофизики связаны с изучением физических свойств плазмы.

Средние энергии различных типов частиц, составляющих плазму, могут отличаться одна от другой. В таком случае плазму нельзя охарактеризовать одним значением температуры T и различают электронную температуру T_e , ионную температуру T_i и температуру нейтральных атомов T_a. Подобная плазма называется неизотермической, в то время как плазма, для которой температуры всех компонентов равны, называется изотермической.

Применительно к плазме несколько необычный смысл вкладывается в понятия "низкотемпературная" и "высокотемпературная". Низкотемпературной принято считать плазму с T_i  10⁵ К , а высокотемпературной – плазму с T_i  10⁶ – 10⁸ К и более. Это условное разделение связано с особой важностью высокотемпературной плазмы в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза. Для осуществления термоядерной реакции рабочее вещество необходимо нагреть до температуры в несколько кэВ или десятков кэВ, а при таких температурах всякое вещество находится в состоянии плазмы.

Так как термоядерные реакции должны происходить сравнительно плавно и медленно, то возникает необходимость достаточно длительного удержания горячей плазмы в ограниченном объеме рабочей камеры и изоляции ее от стенок этой камеры. Для этого можно использоватьмагнитную термоизоляцию, т.е. помещать плазму в сильное магнитное поле, препятствующее ионам и электронам перемещаться в поперечном направлении и уходить от стенки камеры. Основная трудность, стоящая на пути создания управляемого термоядерного синтеза, связана с получением спокойной или устойчивой плазмы.

Самым интересным природным объектом, состоящим из слабо ионизированной плазмы, является ионосфера. Ионосфера – ионизированная верхняя часть атмосферы – расположена выше 50 км. Благодаря высокой проводимости и специфическим свойствам, ионосфера оказывает значительное влияние на распространение радиоволн. Из-за наличия ионосферы связь по радиолинии "Земля – Космос" возможна с помощью радиоволн, частота которых (в зависимости от состояния ионосферы) превышает 5-30 МГц. Волны с меньшими частотами отражаются от ионосферы, и поэтому возможна радиосвязь между наземными пунктами, удаленными на большие расстояния.

Концентрация электронов и ионов в ионосфере распределена по высоте неравномерно: имеются области или слои, где она достигает максимума. Таких слоев несколько, они не имеют резко выраженных границ, их положение и интенсивность регулярно изменяются в течение дня, сезона и 11-летнего солнечного цикла (рис. 11.6).

Верхний слой F соответствует главному максимуму ионизации. Ночью он поднимается до высоты 300-400 км, а днем (преимущественно летом) раздваивается на 2 слоя F₁ и F₂. На высоте 90-150 км находится слой Е, а ниже 90 км область D.

В ионосфере непрерывно протекают процессы ионизации и рекомбинации. Основным источником ионизации ионосферы днем является коротковолновое излучение Солнца с длиной волны короче 103,8 нм, однако важны так же и корпускулярные потоки, галактические и солнечные космические лучи и др. Каждый тип ионизирующего излучения оказывает наибольшее действие на атмосферу лишь в определенной области высот, соответствующих его проникающей способности. Так, например, мягкое коротковолновое излучение Солнца с  = 8,5 – 91,1 нм большую часть ионов образует на высотах 120 – 200 км, тогда как более длинноволновое излучение с  = 91,1 – 103,8 нм вызывает ионизацию на высотах 95 – 115 км, т.е. в области Е, а рентгеновское излучение с  короче 8,5 нм – в верхней части области D на высотах 85 – 100 км. В нижней части области D, ниже 60 – 70 км днем и ниже ночью, ионизация осуществляется т.н. галактическими космическими лучами.

В области D наблюдаются наиболее низкие концентрации носителей зарядов (n_e < 10⁹ m^-3). От всей остальной части ионосферы область D отличается тем, что наряду с положительными ионами в ней наблюдаются отрицательные ионы, которые определяют многие свойства области D. При переходе от дня к ночи наблюдается резкое снижение концентрации электронов n_e и соответственно уменьшается поглощение радиоволн. При солнечных вспышках на освещенной стороне Земли резко возрастает рентгеновская компонента, увеличивающая ионизацию области D, что приводит к увеличению поглощения радиоволн, а иногда даже к полному прекращению радиосвязи – эффект Делинджера. Продолжительность таких возмущений обычно 0,3 – 1,5 часа. Слои Е и F₁ отличаются наиболее регулярными изменениями. Ночью из-за отсутствия ионизирующего излучения в области F₁ концентрация носителей заряда резко падает, однако, в области Е обычно сохраняется довольно высокая концентрация. Поведение главного максимума или области F является очень сложным. Именно в этой области возникает такое удивительное природное явление, как северное сияние.

137