КОСМИЧЕСКАЯ ПЛАЗМА
КОСМИЧЕСКАЯ ПЛАЗМА
-
плазма
в космич. пространстве и космич. объектах. К. п. условно можно разделить по предметам исследований: околопланетная, межпланетная , плазма звёзд и звёздных атмосфер, плазма квазаров и галактич. ядер, межзвёздная и межгалактич. плазма. Указанные типы К. п. различаются своими параметрами (ср. плотностями п,
ср. энергиями частиц и т. п.), а также состояниями: термодинамически равновесными, частично или полностью неравновесными.
Межпланетная К. п.
Состояние околопланетной плазмы, а также структура занимаемого ею пространства зависят от наличия собственного магн. поля у планеты и её удалённости от Солнца. Магн. планеты существенно увеличивает область удержания околопланетной плазмы, образуя естественные магнитные ловушки.
Поэтому область удержания околопланетной плазмы является неоднородной. Большую роль в формировании околопланетной плазмы играют потоки солнечной плазмы, двигающиеся практически ради-ально от Солнца (т. н. солнечный ветер),
плотности к-рых падают с расстоянием от Солнца. Непосредственные измерения плотности частиц солнечного ветра вблизи Земли с помощью космич. аппаратов дают значения п
(1-10) см -3 . Плазма околоземного космич. пространства обычно разделяется на плазму ионосферы,
имеющую п
до 10 5 см -3 на высотах 350 км, плазму радиационных поясов
Земли ( п
10 7 см -3) и магнитосферы Земли
;вплоть до неск.
радиусов Земли простирается т. н. плазмосфера, плотность к-рой п
10 2 см -3 .
Особенность плазмы верх. ионосферы, радиац. поясов и магнитосферы в том, что она является бесстолкновительной, т. е. пространственно-временные масштабы волновых и колебат. процессов в ней намного меньше столкновительных. Релаксация по энергиям и импульсам протекает не за счёт столкновений, а через коллективных степеней свободы плазмы - колебаний и волн. В плазме подобного типа, как правило, отсутствует термодинамич. равновесие, в частности между электронной и ионной компонентами. Быстропротекающие в них, напр. ударные , также определяются возбуждением мелкомасштабных колебаний и волн. Характерным примером является бесстолкновительная , образующаяся при обтекании солнечным ветром магнитосферы Земли.
Звёздная К. п.
Солнце и можно рассматривать как гигантские сгустки К. п. с плотностью, постоянно возрастающей от внеш. частей к центру: корона, хромосфера, фотосфера , конвективная зона, ядро. В т. н. нормальных звёздах высокие темп-ры обеспечивают термич. ионизацию вещества и переход его в состояние плазмы. Высокое плазмы поддерживает гидростатич. равновесие. Макс. расчётная плотность К. п. в центре нормальных звёзд п
10 24 см -3 , темп-pa до 10 9 К. Несмотря на высокие плотности, плазма здесь обычно идеальная за счёт высоких темп-р; только в звёздах с малыми массами (0.5 массы Солнца) появляются эффекты, связанные с неидеальностью плазмы. В центр. областях нормальных звёзд длины свободного пробега частиц малы, поэтому плазма в них столкновительная, равновесная; в верх. слоях, в особенности хромосфере и короне, плазма бесстолкновительная. (Эти расчётные модели основаны на ур-ниях магнитной гидродинамики.
)
В массивных и компактных звёздах плотность К. п. может быть на неск. порядков выше, чем в центре нормальных звёзд. Так, в белых карликах
плотность настолько велика, что электроны оказываются вырожденными (см. Вырожденный газ).
Ионизация вещества обеспечивается за счёт большой величины кинетич. энергии частиц, определяемой фер ми-энергией
;.
это же является причиной идеальности К. п. в белых карликах. Статич. равновесие обеспечивается фермиевским давлением электронов вырожденной плазмы. Ещё большие плотности вещества, возникающие в нейтронных звёздах, приводят к вырождению не только электронов, но и нуклонов. К нейтронным звёздам относятся - компактные звёзды, имеющие диаметры 20 км при массе 1 М
.
Пульсары характеризуются быстрым вращением (играющим важную роль в механич. равновесии звезды) и магн. полем дипольного типа (10 12 Гс на поверхности), причём магн. ось не обязательно совпадает с осью вращения. Пульсары обладают магнитосферой, заполненной релятивистской плазмой, к-рая является источником излучения эл.-магн. волн.
Диапазон темп-р и плотностей К. п. огромен. На рис. схематически показано разнообразие видов плазмы и их примерное расположение на диаграмме температура-плотность. Как видно из диаграммы, последовательность в уменьшении плотности К. п. приблизительно такова: плазма звёзд, околопланетная плазма, плазма квазаров и галактич. ядер, межпланетная плазма, межзвёздная и межгалактич. плазма. За исключением плазмы ядер звёзд и ниж. слоев околопланетной плазмы, К. п. является бесстолкновительной. Поэтому она часто бывает термодинамически неравновесной, а ф-ции распределения составляющих её заряж. частиц по скоростям и энергиям далеки от максвелловских. В частности, они могут содержать пики, соответствующие отд. пучкам заряж. частиц, быть анизотропными, в особенности в магн. космич. полях, и т. п. Такая плазма "избавляется" от неравновесности не через столкновения, а наиб. быстрым путём - через возбуждение эл.-магн. колебаний и волн (см. Бесстолкновительные ударные волны).
Это приводит к тому, что излучения космич. объектов, содержащих бесстолкновительную плазму, намного превосходит мощность равновесного излучения, а заметно отличается от планковского. Примером является квазаров,
к-рое и в радио- и в оптич. диапазоне имеет неравновесный характер. И, несмотря на неоднозначность теоретич. интерпретации наблюдаемого излучения, все теории указывают на важность роли потоков релятивистских электронов, распространяющихся на фоне основной плазмы.
Др. источник неравновесного радиоизлучения - радиогалактики,
к-рые по размерам значительно превосходят галактики, видимые в оптич. диапазоне. Здесь также важную роль играют релятивистские электроны, выбрасываемые из галактик и распространяющиеся на фоне окружающей галактики плазмы. Неравновесность магнитосферной плазмы, проявляющаяся также в наличии пучков заряж. частиц, приводит к километровому радиоизлучению Земли.
Классификация видов плазмы: ГР - плазма газового разряда; МГД - плазма в магни-тогидродинамичес-них генераторах; ТЯП-М - плазма в термоядерных магнитных ловушках; ТЯП-Л - плазма в условиях лазерного термоядерного синтеза: ЭГМ - в металлах; ЭДП - электронно-дырочная плазма в полупроводниках; БК- вырожденный электронный в белых карликах; И - плазма ионосферы; СВ - плазма солнечного ветра; СК - плазма солнечной короны; С - плазма в центре Солнца; МП - плазма в магнитосферах пульсаров.
Неравновесные плазменные явления приводят также к тому, что плазма не только мощно излучает, но и становится турбулентной за счёт того, что определ. типы возбуждаемых волн и колебаний либо "задерживаются" в плазме долго либо вообще не могут "покинуть" плазму (напр., ленгмюровские ). Это позволяет найти путь для решения проблемы т. н. "обойдённых" элементов в теории происхождения элементов во Вселенной. Наиб. распространённая теория происхождения элементов предполагает, что из исходных протонов и нейтронов образуются путём последоват. захвата нейтронов, а когда новый изотоп перегружен нейтронами, то в результате его радиоактивного распада с испусканием электрона и возникает новый элемент. Однако есть "обойдённые" элементы (напр., литий, бор и т. д.), образование к-рых нельзя объяснить захватом нейтронов; их происхождение, возможно, связано с ускорением заряж. частиц в областях с высокой степенью плазменной турбулентности и последующими ядерными реакциями ускоренных частиц.
К. п. удалённых объектов исследуется дистанционными спектральными методами с помощью оптич. телескопов, радиотелескопов, внеатмосферных спутниковых телескопов в рентгеновском и g-диапазонах излучения. С помощью приборов, установленных на ракетах, спутниках и космич. аппаратах, быстро расширяется диапазон прямых измерении параметров К. п. в пределах Солнечной системы. Эти методы включают в себя использование зондовых, волновых низко- и высокочастотных спектрометрич. измерений, измерений магн. и электрич. полей (см. Диагностика плазмы).
Так были обнаружены радиац. пояса Земли, бесстолкновительная ударная волна впереди магнитосферы Земли, хвост магнитосферы, километровое излучение Земли, магнитосферы планет от Меркурия до Сатурна и т. д.
Совр. космич. техника позволяет проводить т. н. активные эксперименты в космосе - активно воздействовать на К. п., в первую очередь околоземную, радиоизлучениями, пучками заряж. частиц, плазменными сгустками и т. п. Эти методы используются для диагностики, моделирования естеств. процессов в реальных условиях, инициирования естеств. явлений (напр., полярных сияний).
Типы К. п. в космологии. По coвp. представлениям, Вселенная возникла во т. н. большого взрыва (big-bang). В период разлёта вещества (расширяющаяся Вселенная), помимо гравитации, определяющей разлёт, три остальных типа взаимодействия (сильное, слабое и эл.-магнитное) вносят свой вклад в плазменные явления на разных стадиях разлёта. При чрезвычайно высоких темп-pax, характерных для ранних стадий разлёта, такие частицы, как, напр., W +- и Z 0 -бозоны, ответственные за слабые взаимодействия,
были безмассовыми, как и фотоны ( эл.-магн. и слабых взаимодействий). Это означает, что являлось дальнодействующим, в к-ром аналогом самосогласованному эл.-магн. полю было Янга - Миллса поле.
Т. о., вся лептонная компонента вещества находилась в состоянии плазмы. Учитывая имеющуюся в стандартной модели связь времени разлёта t
и темп-ры термодинамически равновесного вещества Т
: t(c
)1/T
2 .
(темп-pa в МэВ), можно оценить время, в течение к-poro существовала такая лептонная плазма. При темп-pax Т,
приближающихся к энергии покоя Z 0 -бозона Mz
с 2 100 ГэВ (соответствующее время t
10 -10 с), происходит со спонтанным нарушением симметрии
слабых и эл.-магн. взаимодействий, приводящий к появлению масс у W +-
и Z 0 -бoзонoв, после чего лишь заряженные взаимодействуют с помощью только одних дальнодействующих сил - электромагнитных.
Адронная (сильно взаимодействующая) компонента вещества при столь высоких темп-pax также находится в своеобразном плазменном состоянии, наз. кваркглюонной плазмой.
Здесь между кварками осуществляется также безмассовыми глюонными полями. При плотностях горячей кварк-глюонной плазмы ( п
Т 3
)со ср. расстоянием между элементарными частицами 10 -13 см - радиус нуклона (при этом Т
100 МэВ) кварк-глюонная плазма является идеальной и может быть бесстолкновительной. При дальнейшем остывании Вселенной, когда за время t
10 -4 с темп-pa падает до T
100 МэВ (энергии покоя -мезонов), происходит новый фазовый переход: кварк-глюонная плазма - адронное (характеризующееся короткодействием с радиусом взаимодействия 10 -13 см). Это вещество состоит из стабильных нуклонов и быстро распадающихся адронов. Общее состояние К. п. в последующий затем период определяется заряж. лептонной (в основном элект-ронно-позитронной) компонентой, т. к. во Вселенной сохраняется отношение полного барионного заряда к лептонному и само это отношение весьма мало (10 -9). В итоге при малых временах (t
1 с) К. п. является ультрарелятивистской и в основном электронно-позитронной. В момент времени t
1 с темп-pa электронно-позитронной плазмы падает до 1 МэВ и ниже, при этом начинается интенсивная аннигиляция электронно-позитронных , после чего К. п. медленно приближалась к совр. состоянию, мало меняясь по составу элементарных частиц.
Лит.: Пикельнер С. Б., Основы космической электродинамики, 2 изд., М., 1966; Акасофу С. И., Чепмен С., Солнечно-земная
Академик В. ФОРТОВ, директор Института теплофизики экстремальных состояний Российской академии наук.
В апреле 2005 года академик Владимир Евгеньевич Фортов получил престижную международную награду - золотую медаль имени Альберта Эйнштейна, присужденную ему за выдающийся вклад в развитие физической науки и международного научного сотрудничества. Научные интересы академика Фортова лежат в области физики экстремальных состояний вещества, включая плазму. Если не считать темную материю, плазма - самое распространенное состояние вещества в природе: по оценкам, в этом состоянии находится примерно 95% обычной материи во Вселенной. Звезды - это сгустки плазмы, ионизованного газа с температурой в десятки и сотни миллионов градусов. Свойства плазмы составляют основу современных технологий, область применения которых обширна. Плазма излучает свет в электроразрядных лампах, создает цветное изображение в плазменных панелях. В плазменных реакторах потоки плазмы используют для производства микросхем, упрочнения металлов и очистки поверхностей. Плазменные установки перерабатывают отходы и производят энергию. Физика плазмы - активно развивающаяся область науки, в которой по сей день совершаются удивительные открытия, наблюдаются необычные явления, требующие понимания и объяснения. Одно из интереснейших явлений, обнаруженных недавно в низкотемпературной плазме, - образование "плазменного кристалла", то есть пространственно-упорядоченной структуры из мелкодисперсных частиц - плазменной пыли.
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Космонавты С. Крикалев и Ю. Гидзенко устанавливают аппаратуру "Плазменный кристалл" на МКС (2001 г.).
ЧТО ТАКОЕ ПЫЛЕВАЯ ПЛАЗМА?
Пылевая плазма представляет собой ионизованный газ, содержащий пылинки - частицы твердого вещества. Такая плазма часто встречается в космосе: в планетных кольцах, хвостах комет, межпланетных и межзвездных облаках. Она обнаружена вблизи искусственных спутников Земли и в пристеночной области термоядерных установок с магнитным удержанием, а также в плазменных реакторах, дугах, разрядах.
В лабораторных условиях пылевую плазму впервые получил американец Ирвинг Лэнгмюр еще в 20-х годах прошлого века. Однако активно изучать ее начали лишь в последнее десятилетие. Повышенный интерес к свойствам пылевой плазмы возник с развитием технологий плазменного напыления и травления в микроэлектронике, а также производства тонких пленок и наночастиц. Наличие твердых частиц, которые попадают в плазму в результате разрушения электродов и стенок разрядной камеры, не только приводит к загрязнению поверхности полупроводниковых микросхем, но и возмущает плазму, зачастую непредсказуемым образом. Чтобы уменьшить или предотвратить эти негативные явления, необходимо разобраться в том, как идут процессы образования и роста конденсированных частиц в газоразрядной плазме и как плазменные пылинки влияют на свойства разряда.
ПЛАЗМЕННЫЙ КРИСТАЛЛ
Размеры пылевых частиц относительно велики - от долей микрона до нескольких десятков, иногда сотен микрон. Их заряд может иметь чрезвычайно большую величину и превышать заряд электрона в сотни и даже в сотни тысяч раз. В результате средняя кулоновская энергия взаимодействия частиц, пропорциональная квадрату заряда, может намного превосходить их среднюю тепловую энергию. Получается плазма, которую называют сильнонеидеальной, поскольку ее поведение не подчиняется законам идеального газа. (Напомним, что плазму можно рассматривать как идеальный газ, если энергия взаимодействия частиц много меньше их тепловой энергии).
Теоретические расчеты равновесных свойств пылевой плазмы показывают, что при некоторых условиях сильное электростатическое взаимодействие "берет верх" над низкой тепловой энергией и заставляет заряженные частицы выстраиваться в пространстве определенным образом. Образуется упорядоченная структура, которая получила название кулоновского или плазменного кристалла. Плазменные кристаллы подобны пространственным структурам в жидкости или твердом теле. Здесь могут происходить фазовые переходы типа плавления и испарения.
Если частицы пылевой плазмы достаточно велики, плазменный кристалл можно наблюдать невооруженным глазом. В ранних экспериментах образование кристаллических структур регистрировали в системе заряженных частиц железа и алюминия микронных размеров, удерживаемых переменным и статическим электрическими полями. В более поздних работах произведены наблюдения кулоновской кристаллизации макрочастиц в слабоионизованной плазме высокочастотного разряда при низком давлении. Энергия электронов в такой плазме составляет несколько электронвольт (эВ), а энергия ионов близка к тепловой энергии атомов, которые имеют комнатную температуру (~ 0,03 эВ). Это связано с тем, что электроны более подвижны и их поток, направленный на нейтральную пылевую частицу, значительно превышает поток ионов. Частица "ловит" электроны и начинает заряжаться отрицательно. Этот накапливающийся отрицательный заряд в свою очередь вызывает отталкивание электронов и притяжение ионов. Заряд частицы меняется до тех пор, пока потоки электронов и ионов на ее поверхности не сравняются. В экспериментах с высокочастотным разрядом заряд пылевых частиц был отрицательным и довольно большим (порядка 10 4 - 10 5 электронных зарядов). Облако заряженных пылевых частиц зависало вблизи поверхности нижнего электрода, поскольку там устанавливалось равновесие между гравитационными и электростатическими силами. При диаметре облака в несколько сантиметров в вертикальном направлении число слоев частиц составляло несколько десятков, а расстояние между частицами - несколько сотен микрометров.
УПОРЯДОЧЕННЫЕ СТРУКТУРЫ В ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЕ...
В Институте теплофизики экстремальных состояний РАН (ИТЭС РАН) с 1991 года изучают пылевую плазму и создают разнообразные методы ее диагностики. Исследована пылевая плазма разных видов: термическая плазма, газоразрядная плазма тлеющего и высокочастот ного разрядов, фотоэмиссионная и ядерно-возбуждаемая плазма.
Термическая плазма, образующаяся в пламени газовой горелки при атмосферном давлении, имеет температуру от 1700 до 2200 К, причем температуры электронов, ионов и нейтральных частиц в ней равны. В потоке такой плазмы изучали поведение частиц диоксида церия (CeO 2). Особенность этого вещества в том, что электроны довольно легко улетают с его поверхности - работа выхода электрона составляет всего около 2,75 эВ. Поэтому пылевые частицы заряжаются как потоками электронов и ионов из плазмы, так и за счет термоэлектронной эмиссии - испусканием электронов нагретой частицей, что создает положительный заряд.
Пространственные структуры макрочастиц анализировали при помощи лазерного излучения, дающего корреляционную функцию g(r) , смысл которой состоит в следующем. Если зафиксировать расположение в пространстве одной из частиц, то функция показывает вероятность нахождения любой другой частицы на расстоянии r от данной. А это позволяет сделать вывод о пространственном расположении частиц - хаотическом или упорядоченном, характерном для жидкостных и кристаллических структур.
Типичные корреляционные функции g(r) для частиц CeO 2 в аэрозольной струе при комнатной температуре и в плазме представлены на илл. 1. При высокой температуре плазмы (2170 K) и невысокой концентрации макрочастиц (б) корреляционная функция имеет почти такой же вид, как для струи обычного аэрозоля при комнатной температуре (а). Это означает, что частицы в плазме взаимодействуют слабо и образования упорядоченных структур не происходит. При меньшей температуре плазмы (1700 К) и более высокой концентрации частиц корреляционная функция принимает вид, характерный для жидкости: есть ярко выраженный максимум, что свидетельствует о наличии ближнего порядка в расположении частиц (в). В этом эксперименте положительный заряд частиц составлял величину около 1000 зарядов электрона. Относительно слабую упорядоченность структуры можно объяснить малым временем существования плазмы (около 20 тысячных долей секунды), за которое процесс формирования плазменного кристалла не успевает завершиться.
... И ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ
В термической плазме температура всех частиц одинакова, а в плазме тлеющего газового разряда ситуация иная - электронная температура много больше ионной. Это создает предпосылки для возникновения упорядоченных структур пылевой плазмы - плазменных кристаллов.
В тлеющем газовом разряде при определенных условиях возникают стоячие страты - неподвижные зоны неравномерной светимости, регулярно чередующиеся с темными промежутками. Концентрация электронов и электрическое поле сильно неоднородны по длине страты. Поэтому в голове каждой страты образуется электростатическая ловушка, которая при вертикальном положении разрядной трубки способна удержать мелкодисперсные частицы в области положительного столба разряда.
Процесс формирования структуры выглядит следующим образом: высыпанные из контейнера в разряд микронные частицы заряжаются в плазме и выстраиваются в структуру, сохраняющуюся сколь угодно долго при неизменных параметрах разряда. Лазерный луч подсвечивает частицы в горизонтальной или вертикальной плоскости (илл. 2). Образование пространственной структуры фиксирует видеокамера. Отдельные частицы можно видеть невооруженным глазом. В эксперименте использовали частицы нескольких типов - полые микросферы из боросиликатного стекла и частицы меламинформальдегида диаметром от одного до ста микрометров.
В центре страты образуется пылевое облако диаметром до нескольких десятков миллиметров. Частицы располагаются в горизонтальных слоях, образуя гексагональные структуры (илл. 3а). Расстояния между слоями составляют от 250 до 400 мкм, расстояния между частицами в горизонтальной плоскости - от 350 до 600 мкм. Функция распределения частиц g(r) имеет несколько ярко выраженных максимумов, что подтверждает существование дальнего порядка в расположении частиц и означает формирование кристаллической структуры, хотя плазменные пылевые кристаллы хорошо видны и невооруженным глазом.
Изменяя параметры разряда, можно влиять на форму облака частиц и даже наблюдать переход из кристаллического состояния в жидкость ("плавление" кристалла) и затем в газ. Используя несферические частицы - нейлоновые цилиндры длиной 200-300 мкм, - удалось получить также структуру, подобную жидкому кристаллу (илл. 4).
ПЫЛЕВАЯ ПЛАЗМА В КОСМОСЕ
На Земле дальнейшему изучению плазменных кристаллов мешает сила тяжести. Поэтому было решено начать эксперименты в космосе, в условиях микрогравитации.
Первый эксперимент провели космонавты А. Я. Соловьев и П. В. Виноградов на российском орбитальном комплексе "Мир" в январе 1998 года. Им предстояло изучить образование упорядоченных плазменно-пылевых структур в невесомости под действием солнечного света.
В стеклянных ампулах, заполненных неоном, находились сферические частицы бронзы с цезиевым покрытием при давлениях 0,01 и 40 Торр. Ампулу устанавливали возле иллюминатора, встряхивали и регистрировали с помощью видеокамеры движение частиц, подсвеченных лазером. Наблюдения показали, что вначале частицы движутся хаотически, а затем появляется направленное движение, которое связано с диффузией плазмы на стенки ампулы.
Обнаружился еще один интересный факт: через несколько секунд после встряхивания ампулы частицы начинали слипаться, образуя агломераты. Под действием солнечного света агломераты распадались. Агломерация может быть связана с тем, что в начальные моменты освещения частицы приобретают разноименные заряды: положительные - за счет эмиссии фотоэлектронов, отрицательные - заряжаясь потоками плазменных электронов, эмитированных с других частиц, - и разноименно заряженные частицы слипаются друг с другом.
Анализируя поведение макрочастиц, можно оценить величину их заряда (около 1000 зарядов электрона). В большинстве случаев частицы образовывали только жидкостную структуру, хотя иногда и возникали кристаллы.
В начале 1998 года было принято решение о проведении совместного российско-германского эксперимента "Плазменный кристалл" на борту российского сегмента Международной космической станции (PC MKC). Постановку и подготовку эксперимента осуществляли ученые Института теплофизики экстремальных состояний РАН с участием Института внеземной физики Макса Планка (Германия) и Ракетно-космической корпорации "Энергия".
Основным элементом аппаратуры служит вакуумная плазменная камера (илл. 5), состоящая из двух стальных квадратных пластин и стеклянных вставок квадратного сечения. На каждой из пластин смонтированы дисковые электроды для создания высокочастотного разряда. В электроды встроены устройства для инжекции пылевых частиц в плазму. Вся оптическая система, включая две цифровые камеры и два полупроводниковых лазера для подсветки облака частиц, установлена на подвижной плите, которую можно перемещать, сканируя плазменно-пылевую структуру.
Были разработаны и изготовлены два комплекта аппаратуры: технологический (он же тренировоч ный) и полетный. В феврале 2001 года, после испытаний и предполетной подготовки на Байконуре, летный комплект доставили на служебный модуль российского сегмента МКС.
Первый эксперимент с частицами из меламинформальдегида выполнен в 2001 году. Ожидания ученых оправдались: впервые было обнаружено формирование трехмерных упорядоченных сильнозаряженных частиц микронного размера с большим параметром неидеальности - трехмерных плазменных кристаллов с гранецентрированной и объемно-центрированной решетками (илл. 7).
Возможность получать и исследовать плазменные образования различной конфигурации и протяженности возрастает, если использовать высокочастотный индукционный разряд. В области между однородной плазмой и ограничивающей ее стенкой или окружающим нейтральным газом можно ожидать левитации (зависания) как отдельных заряженных макрочастиц, так и их ансамблей. В цилиндрических стеклянных трубках, где разряд возбуждается кольцевым электродом, над плазменным образованием зависает большое число частиц. В зависимости от давления и мощности возникают либо устойчивые кристаллические структуры, либо структуры с колеблющимися частицами, либо конвективные потоки частиц. При использовании плоского электрода частицы зависают над дном наполненной неоном колбы и образуют упорядоченную структуру - плазменный кристалл. Пока что такие эксперименты проводятся в лабораториях на Земле и в условиях параболического полета, но в перспективе и эту аппаратуру планирует ся установить на МКС.
Уникальные свойства плазменных кристаллов (простота получения, наблюдения и контроля за параметрами, а также малые времена релаксации к равновесию и отклика на внешние возмущения) делают их прекрасным объектом при исследовании как свойств сильно неидеальной плазмы, так и фундаментальных свойств кристаллов. Результаты могут быть использованы для моделирования реальных атомарных или молекулярных кристаллов и изучения физических процессов с их участием.
Структуры макрочастиц в плазме - хороший инструмент и для прикладных задач, связанных с микроэлектроникой, в частности с удалением нежелательных частиц пыли при производстве микросхем, с конструированием и синтезом малого кристалла - нанокристалла, нанокластера, при плазменном напылении, с сепарацией частиц по размерам, разработкой новых высокоэффективных источников света, созданием электрических ядерных батарей и лазеров, рабочим телом в которых являются частицы радиоактивного вещества.
Наконец, вполне реально создание технологий, которые позволят осуществлять контролируемое осаждение взвешенных в плазме частиц на подложку и тем самым создавать покрытия с особыми свойствами, в том числе пористые и композитные, а также формировать частицы с многослойным покрытием из материалов с различными свойствами.
Возникают интересные задачи в микробиологии, медицине, экологии. Список возможного применения пылевой плазмы непрерывно расширяется.
Подписи к иллюстрациям
Илл. 1. Корреляционная функция g(r) показывает, с какой вероятностью можно найти другую частицу на расстоянии r от данной. Для частиц CeO 2 в воздушной струе при комнатной температуре 300 К (а) и в плазме при температуре 2170 К (б) функция указывает на хаотичное распределение частиц. В плазме при температуре 1700 К (в) функция имеет максимум, то есть возникает структура, подобная жидкости.
Илл. 2. Установка для исследования пылевой плазмы в тлеющем разряде постоянного тока представляет собой вертикально ориентированную трубку, заполненную неоном при низком давлении, в которой создается тлеющий разряд. При определенных условиях в разряде наблюдаются стоячие страты - неподвижные зоны неравномерной светимости. Пылевые частицы содержатся в контейнере с сетчатым дном над областью разряда. При встряхивании контейнера частицы падают вниз и зависают в стратах, образуя упорядоченные структуры. Чтобы пыль была видна, ее подсвечивают плоским лазерным лучом. Рассеянный свет регистрируется видеокамерой. На экране монитора - видеоизображение плазменно-пылевых структур, полученное при освещении пылевых частиц лазерным пучком в зеленой области спектра.
Илл. 3. В тлеющем разряде возникает упорядоченная пылевая структура (а), которой соответствует корреляционная функция g(r) с несколькими выраженными максимума ми, характерными для кристалла (б).
Илл. 4. Удлиненные пылевые частицы (имеющие форму цилиндра) выстраиваются параллельно некоторой общей оси. Такое состояние называют плазменным жидким кристаллом по аналогии с молекулярными жидкими кристаллами, где имеется выделенное направление в ориентации длинных молекул.
Илл. 5. Вакуумная плазменная камера для изучения пылевой плазмы на Международной космической станции (МКС).
Илл. 6. В Институте теплофизики экстремальных состояний РАН сконструирована специальная установка для изучения плазменных кристаллов в высокочастотном разряде низкого давления. Кристаллическая структура хорошо видна при освещении пылевых частиц лазерными пучками в зеленой и красной областях спектра.
Илл. 7. Структуры пылевых частиц в трех горизонтальных слоях плазменно -пылевого образования: с объемно-центриро ванной решеткой (вверху), гранецентрированной решеткой (в центре) и с гексагональной плотной упаковкой (внизу).
С начала 1990-х годов повышенный интерес у физиков стала вызывать так называемая пылевая плазма, отличающаяся от плазмы обычной присутствием в ней относительно крупных (в сравнении с размерами ионов) микрочастиц-пылинок диаметром от 10 до 100 нанометров. Интерес ученых возник поневоле, поскольку пыль в плазме существенно портила тонкие технологические процессы плазменного травления, применяемые в производстве микрочипов. Углубленное же изучение проблемы показало, что одноименно заряженные микрочастицы, находящиеся в потоке плазмы, вопреки интуиции и законам физики не разлетаются в стороны, а притягиваются друг к другу, образуя крупные комки и загрязняя чистоту обработки.
Более тщательное изучение проблемы - эксперименты на земле и в условиях микрогравитации на борту Международной космической станции, компьютерное моделирование - привело исследователей к выводу о том, что пылевая плазма в плазменных потоках представляет собой совершенно особое состояние вещества. Одна из важнейших особенностей данного состояния - это постоянно идущие в нем сильные процессы диссипации, т.е. энергетических обменов с внешней средой, обеспечивающие образование самоорганизующихся структур. При этом плазменные потоки и электрические поля создают для пыли весьма специфические условия, обеспечивающие притяжение одноименно заряженных пылевых частиц на больших расстояниях. При подходящих условиях естественным следствием этих процессов может становиться образование в плазме устойчивых «пылевых кристаллов».
Эксперименты такого рода в условиях гравитации обычно приводят к формированию плоских кристаллов в виде решетки вихревых конвективных ячеек регулярной структуры. Однако в опытах с компьютерными симуляциями, моделирующими отсутствие силы тяжести, плоский вихрь приобретает цилиндрическую форму, а образующие его пылинки могут самоорганизовываться в структуры одинарной или двойной винтовой спирали. Не заметить сходство с ДНК тут, ясное дело, довольно сложно. И летом 2007 г. в «Новом журнале физики», быстро набравшем популярность и авторитет онлайновом международном издании, была опубликована весьма дискуссионная работа о текущих итогах в изучении плазменно-пылевых кристаллов. Статью подготовили один из патриархов физики плазмы, академик Вадим Н. Цытович, и группа его коллег из институтов России, Германии и Австралии, а итоги ее свелись к выводу об открытии структур, весьма похожих на неорганическую жизнь.
В частности, исследователями установлено, что определенные условия среды, повсеместно обнаруживаемые в космосе, могут приводить к самообразованию спиралевидных структур из частиц пылевой плазмы. При этом в некоторых из таких структур отмечены так называемые бифуркации радиуса, т.е. резко изменяющиеся переходы от одного радиуса винта к другому и обратно, что предоставляет механизм для хранения информации в терминах длины и радиуса секций спирали. Более того, в некоторых компьютерных симуляциях спираль разделялась на две, эффективно воспроизводя саму себя. В других экспериментах две спирали вызывали структурные изменения друг в друге, а некоторые спирали даже демонстрировали эволюцию, с течением времени преобразуясь в более устойчивые структуры…
Частично ионизованный газ) в космическом пространстве и населяющих его объектах. Космическая плазма возникла в первые микросекунды рождения Вселенной после Большого взрыва и ныне является наиболее распространённым состоянием вещества в природе, составляя 95% от массы Вселенной (без учёта тёмной материи и тёмной энергии, природа которых пока неизвестна). По свойствам, зависящим от температуры и плотности вещества, и по направлениям исследования космическую плазму можно разделить на следующие виды: кварк-глюонная (ядерная), галактическая (плазма галактик и галактических ядер), звёздная (плазма звёзд и звёздных атмосфер), межпланетная и магнитосферная. Космическая плазма может находиться в равновесном и неравновесном состояниях, может быть идеальной и неидеальной.
Возникновение космической плазмы . Согласно теории Большого взрыва, 13,7 миллиарда лет назад вещество Вселенной было сконцентрировано в очень малом объёме и имело огромную плотность (5·10 91 г/см 3) и температуру (10 32 К). При чрезвычайно высоких температурах, характерных для ранних стадий расширения Вселенной, такие частицы, как, например, W ± - и Z 0 -бозоны, ответственные за слабое взаимодействие, были безмассовыми, как и фотоны (симметрия электромагнитного и слабого взаимодействий). Это означает, что слабое взаимодействие являлось дальнодействующим, а аналогом самосогласованного электромагнитного поля было самосогласованное Янга - Миллса поле. Т.о., вся лептонная компонента вещества, участвующая в слабом и электромагнитном взаимодействиях, находилась в состоянии плазмы. Распад электрослабого взаимодействия на электромагнитное и слабое при Т < 10 15 К привёл к появлению массы у кварков, лептонов и W ± -, Z-бозонов. Вещество оказалось в состоянии кваркглюонной плазмы (рис.) - сильновзаимодействующей ядерной материи, в которой освобождённые цветные кварки (фундаментальные частицы вещества) и глюоны (кванты сильного взаимодействия) образуют непрерывную среду (хромоплазму) и могут распространяться в ней как квазисвободные частицы, а слабые взаимодействия играют роль дальнодействующих сил. При плотностях вещества n > 10 14 г/см 3 , энергиях > 0,1 ГэВ и средних расстояниях между частицами много меньше 10 -13 см такая плазма может быть идеальной и бесстолкновительной (длина свободного пробега частиц много больше характерных размеров системы). Охлаждаясь, кварки начали группироваться в адроны (адронизация, кваркадронный фазовый переход). Основными процессами в эру адронов были рождение гамма-квантами пар частица - античастица и их последующая аннигиляция. К концу адронной эры, когда температура снизилась до 10 12 К, а плотность вещества до 10 14 г/см 3 , рождение пар адрон - антиадрон стало невозможным, а их аннигиляция и распад продолжались. Однако энергия фотонов была достаточна для рождения пар лептон - антилептон (лептонная эра).
После 1 с от начала Большого взрыва начались реакции нуклеосинтеза и происходило формирование современной космической плазмы. Высокие плотность и температура излучения не позволяли образовываться нейтральным атомам; вещество пребывало в состоянии плазмы. Через 300 тысяч лет после Большого взрыва, при охлаждении до температуры около 4000 К, началось объединение протонов и электронов в атомы водорода, дейтерия и гелия, а излучение перестало взаимодействовать с веществом. Фотоны стали распространяться свободно. Они наблюдаются ныне в виде равновесного микроволнового фонового излучения (реликтовое излучение). Через 150 миллионов - 1 млрд. лет после Большого взрыва образовались первые звёзды, квазары, галактики, скопления и сверхскопления галактик. Происходила повторная ионизация водорода светом звёзд и квазаров с образованием галактической и звёздной плазмы. Через 9 миллиардов лет произошло образование межзвёздного облака, давшего начало Солнечной системе и Земле.
Виды космической плазмы. За исключением плазмы ядер звёзд и нижних слоёв околопланетной плазмы, космическая плазма является бесстолкновительной. Вследствие этого функции распределения космической плазмы часто отличаются от классического распределения Максвелла, т. е. могут иметь пики, соответствующие пучкам заряженных частиц. Для бесстолкновительной плазмы характерно неравновесное состояние, при котором температуры протонов и электронов различны. Равновесие в бесстолкновительной космической плазме устанавливается не через столкновения, а через возбуждение электромагнитных волн, согласованных с коллективным движением заряженных частиц плазмы. Типы волн зависят от внешних магнитных и электрических полей, от конфигурации плазмы и полей.
Мощность неравновесного излучения космических объектов может быть много больше мощности равновесного излучения, а спектр - непланковский. Источниками неравновесного излучения являются, например, квазары и радиогалактики. В их излучении важную роль играют выбросы (джеты) потоков релятивистских электронов или сильно ионизованной плазмы, распространяющихся в космических магнитных полях. Неравновесность магнитосферной плазмы вблизи Земли проявляется также в генерации пучков заряженных частиц, что приводит к радиоизлучению Земли в диапазоне километровых длин волн. Неравновесные плазменные явления приводят к генерации пакетов волн и возникновению многомасштабных плазменных турбулентностей в космической плазме.
Галактическая плазма имеет большую плотность в молодых галактиках, образующихся из сжимающихся протозвёздных облаков ионизованного газа и пыли. Соотношение общего количества звёздного и межзвёздного вещества в галактике изменяется по мере эволюции: из межзвёздной диффузной материи образуются звёзды, а они в конце своего эволюционного пути возвращают в межзвёздное пространство только часть вещества; некоторая часть его остаётся в белых карликах и нейтронных звёздах, а также в медленно эволюционирующих маломассивных звёздах, возраст которых сравним с возрастом Вселенной. Таким образом, со временем количество межзвёздного вещества в галактике убывает: в «старых» галактиках концентрация межзвёздной плазмы ничтожна.
Звёздная плазма . Звёзды типа Солнца представляют собой массивные плазменные шарообразные объекты. Термоядерные реакции в ядре поддерживают высокие температуры, которые обеспечивают термическую ионизацию вещества и переход его в состояние плазмы. Высокое давление плазмы поддерживает гидростатическое равновесие. Температура плазмы в центре нормальных звёзд может достигать 10 9 К. Плазма солнечной короны имеет температуру около 2·10 6 К и сосредоточена преимущественно в магнитных арках, трубках, создаваемых выходящими в корону магнитными полями Солнца.
Несмотря на высокие плотности, плазма звёзд обычно идеальна за счёт высоких температур: только в звёздах с малыми массами [ ≥ 0,5 массы Солнца (Мʘ)] появляются эффекты, связанные с неидеальностью плазмы. В центральных областях нормальных звёзд длины свободного пробега частиц малы, поэтому плазма в них столкновительная, равновесная; в верхних слоях (особенно в хромосфере и короне) плазма бесстолкновительная.
В массивных и компактных звёздах плотность космической плазмы может быть на несколько порядков выше, чем в центре нормальных звёзд. Так, в белых карликах плотность настолько велика, что электроны оказываются вырожденными (смотри Вырожденный газ). Ионизация вещества обеспечивается за счёт большой кинетической энергии частиц, определяемой ферми-энергией; она же является причиной идеальности космической плазмы в белых карликах. Вырожденный электронный газ противодействует силам гравитации, обеспечивая равновесие звезды.
В нейтронных звёздах (конечных продуктах эволюции звёзд массой 1,3-2Мʘ) при плотностях вещества 3·10 14 -2·10 15 г/см3, сравнимых с плотностью вещества в атомных ядрах, происходит вырождение не только электронов, но и нейтронов. Давление нейтронного вырожденного газа уравновешивает силу гравитации в нейтронных звёздах. Как правило, нейтронные звёзды - пульсары - имеют диаметры 10-20 км, быстро вращаются и обладают сильным магнитным полем дипольного типа (порядка 10 12 -10 13 Гс на поверхности). Магнитосфера пульсаров заполнена релятивистской плазмой, которая является источником излучения электромагнитных волн.
Современные теории предполагают, что в ядрах наиболее массивных нейтронных звёзд, возможно, существует кварк-глюонная плазма (так называемые кварковые, или странные, звёзды). При высоких плотностях вещества в центрах нейтронных звёзд нейтроны оказываются расположенными вплотную друг к другу (на расстоянии классических радиусов), благодаря чему кварки могут свободно перемещаться по всей области вещества. Такое вещество можно рассматривать как кварковый газ или жидкость.
Межпланетная и магнитосферная плазма. Состояние околопланетной плазмы, а также структура занимаемого ею пространства зависят от наличия собственного магнитного поля у планеты и её удалённости от Солнца, в короне которого есть открытые (не замкнутые) магнитные силовые линии. По ним со скоростью 300-1200 км/с истекает солнечный ветер - поток ионизованных частиц (протоны, электроны и ядра гелия) с плотностью порядка 1-10 см -3 . Силовые линии межпланетного магнитного поля, созданного токами, текущими внутри Солнца, можно считать вмороженными в плазму солнечного ветра. Собственное магнитное поле большинства планет, как правило, имеет дипольную форму, что способствует захвату межпланетной плазмы и энергичных солнечных частиц в естественные магнитные ловушки. Обтекание солнечным ветром магнитного поля планеты приводит к образованию магнитосферы планеты - полости, заполненной плазмой солнечного ветра и плазмой планетного происхождения.
При обтекании сверхзвуковым потоком солнечного ветра магнитного поля Земли на расстоянии 13-17 радиусов Земли от её центра образуется бесстолкновительная ударная волна, на которой происходит торможение плазмы солнечного ветра, её нагрев и увеличение плотности и амплитуды магнитного поля. Ближе к планете располагается магнитопауза - граница магнитосферы, где динамическое давление плазмы солнечного ветра уравновешивается давлением магнитного поля Земли. Магнитосфера Земли сжата со стороны налетающего потока на дневной стороне и сильно вытянута в ночном направлении, формой напоминая хвост кометы (так называемый магнитосферный хвост).
В зависимости от величины магнитного поля магнитосферы планет могут иметь различное строение, которое тем компактнее, чем меньше собственное магнитное поле планеты. Магнитосфера Земли включает ионосферу (верхнюю атмосферу на высотах от 60 км и выше, где плазма сильно ионизована под действием солнечного коротковолнового излучения) с плотностью частиц 10 2 -10 6 см -3 , плазму радиационных поясов Земли с плотностью порядка 10 7 см -3 , плазмосферу с плотностью порядка 10 2 -10 4 см -3 на расстояниях до нескольких радиусов Земли и плазму магнитосферного хвоста со средней плотностью порядка 1 см.
Плазма солнечного ветра проникает в магнитосферу в области «разомкнутых» магнитных силовых линий (полярных каспов), в областях пересоединения земного и межпланетного магнитных полей на магнитопаузе, вследствие магнитогидродинамических (МГД) эффектов и плазменных неустойчивостей. Часть проникшей в магнитосферу плазмы пополняет радиационные пояса планеты и плазменный слой магнитосферного хвоста. Проникновение плазмы внутрь магнитосферы и её высыпание в верхние слои атмосферы и ионосферы являются причиной полярных сияний.
В Солнечной системе магнитосферы имеются практически у всех планет. Земля и планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) обладают наиболее сильными собственными магнитными полями, самое слабое магнитное поле имеет Марс, у Венеры и Луны собственное магнитное поле практически отсутствует. Магнитосферная плазма планет является бесстолкновительной. Релаксация по энергиям и импульсам в такой плазме происходит через возбуждение многообразных колебаний и волн. В плазме хвоста магнитосферы Земли отсутствует термодинамическое равновесие: электронная температура в 3-8 раз меньше ионной.
Магнитосферы планет сильно изменчивы, что связано с изменчивостью межпланетного магнитного поля и потока энергии, поступающего из солнечного ветра внутрь магнитосферы благодаря пересоединению магнитных силовых линий на магнитопаузе. Наиболее сильные магнитосферные возмущения - магнитные бури связаны с приходом к Земле плазменных облаков при мощных выбросах плазмы из короны Солнца.
Методы исследования космической плазмы. Космическая плазма удалённых объектов исследуется дистанционными спектральными методами с помощью оптических телескопов, радиотелескопов, внеатмосферных рентгеновских и гамма-телескопов. С помощью приборов, установленных на ракетах, спутниках и КА, быстро расширяется количество прямых измерений параметров космической плазмы в пределах Солнечной системы (исследования Меркурия, Венеры, Марса, Юпитера и других планет). Методы исследования включают в себя использование зондовых измерений, волновой низко и высокочастотной спектрометрии, измерений магнитных и электрических полей. Ведутся исследования радиационных поясов Земли, солнечного ветра, бесстолкновительной ударной волны магнитосферы Земли, хвоста магнитосферы, полярных сияний, километрового излучения Земли и т.д. Современная космическая техника позволяет проводить так называемые активные эксперименты в космосе - активно воздействовать на околоземную космическую плазму радиоизлучением, пучками заряженных частиц, плазменными сгустками и т.п. Эти методы используются для диагностики и моделирования естественных процессов в реальных условиях.
В земных условиях кварк-глюонную плазму стало возможным исследовать на коллайдерах при столкновении пучков релятивистских тяжёлых ионов [ЦЕРН, Швейцария; RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider), США].
Для космической плазмы характерно существование магнитогидродинамических волн, которые при больших амплитудах сильно нелинейны и могут иметь форму солитонов или ударных волн. Общая теория нелинейных волн пока отсутствует. Задача о волнах малой амплитуды решается до конца методом линеаризации уравнений состояния плазмы. Для описания столкновительной космической плазмы обычно используется МГД-приближение (смотри Магнитная гидродинамика). Распространение волн и мелкомасштабные структуры в бесстолкновительной космической плазме описываются системами уравнений Власова - Максвелла для электромагнитных полей и плазмы. Однако, когда тепловое движение заряженных частиц несущественно, а масштабы системы велики по сравнению с ларморовским радиусом (характерным масштабом вращения заряженных частиц в магнитном поле), в бесстолкновительной плазме также используется МГД-приближение.
Лит.: Акасофу С. И., Чепмен С. Солнечно-земная физика. М., 1974-1975. Ч. 1-2; Альвен Х. Космическая плазма. М., 1983; Зеленый Л. М. Динамика плазмы и магнитных полей в хвосте магнитосферы Земли // Итоги науки и техники. Сер. Исследования космического пространства. М., 1986; Астрономия: век XXI / Под редакцией В. Г. Сурдина. Фрязино, 2007; Хокинг С. Краткая история времени: от Большого взрыва до черных дыр. СПб., 2008.
Л. М. Зелёный, Х. В. Малова.
