Astronet > Plazma

po tekstam po klyuchevym slovam v glossarii po saitam perevod po katalogu

Na saite

Astrometriya

Astronomicheskie instrumenty

Astronomicheskoe obrazovanie

Astrofizika

Istoriya astronomii

Kosmonavtika, issledovanie kosmosa

Lyubitel'skaya astronomiya

Planety i Solnechnaya sistema

Solnce

Plazma

- polnost'yu ili chastichno ionizovannyi gaz, v k-rom polozhit. i otricat. zaryady v srednem neitralizuyut drug druga. Kosmich. P. soderzhit ne tol'ko elektrony i polozhitel'no zaryazhennye atomnye yadra ili atomnye ostatki, no inogda i otricat. iony (atomy s "prilipshimi" elektronami). V kosmich. usloviyah stepen' ionizacii P., t.e. otnoshenie koncentracii ionizov. atomov k ih polnoi koncentracii, menyaetsya ot znacheniya ~ 10^-3 (atmosfery holodnyh zvezd ili holodnye oblaka mezhzvezdnogo gaza) do prakticheski polnoi ionizacii v solnechnoi korone, goryachih tumannostyah ili nedrah zvezd.

Otlichie P. ot obychnyh gazov zaklyuchaetsya v tom, chto esli v gaze atomy i molekuly vzaimodeistvuyut mezhdu soboi lish' pri sil'nom sblizhenii - prakticheski v momenty parnyh ili eshe bolee redkih troinyh stolknovenii (sila ih vzaimodeistviya menyaetsya kak 1/r⁶, gde r - rasstoyanie mezhdu atomami), to v P. iz-za bolee medlennogo ubyvaniya s rasstoyaniem kulonovskih sil (kak, 1/r²) vzaimodeistvie mezhdu chasticami postoyanno vliyaet na ih dvizhenie. Poetomu dlya P. harakterny kollektivnye processy. Odnako spravedlivo eto ne dlya vseh uslovii. Esli P. nastol'ko razrezhena, chto kulonovskoe vzaimodeistvie mezhdu chasticami okazyvaetsya znachitel'no men'shim, chem vliyanie na nih vneshnih elektrich. i magn. polei (v kosmich. usloviyah obychno sushestvenny poslednie), to P. mozhno rassmatrivat' kak sovokupnost' otdel'cyh chastic s dvizheniem, opredelennym vnesh. polyami. V takoi P. obychno ne proyavlyayutsya specificheski plazmennye kollektivnye processy. S dr. storony, esli P. nastol'ko plotna, chto chastota parnyh stolknovenii dostatochno velika, ili esli processy protekayut s harakternym vremenem, znachitel'no prevyshayushim vremya svobodnogo probega elektrona ili iona, to i zdes' net specificheski plazmennyh processov. V etih sluchayah P. mozhno schitat' sploshnoi sredoi i primenyat' dlya ee issledovaniya magnitogidrodinamicheskie (ili gazodinamicheskie) ur-niya ili sootnosheniya (sm. Magnitogidrodinamika).

P., kak pravilo, yavl. kvazineitral'noi, t.e. prostranstv. zaryady vhodyashih v sostav P. otricatel'no zaryazhennyh elektronov i polozhitel'no zaryazhennyh ionov vzaimno kompensiruyutsya i polnoe elektrich. pole v P. ravno nulyu (esli zaryad ionov Z =1, to koncentracii ionov n_i i elektronov n_e prakticheski ravny; esli $Z\ne 1$ , to n_e=Z n_i.

Vokrug kazhdogo zaryada preimushestvenno raspolagayutsya zaryady protivopolozhnogo znaka, neitralizuya vliyanie central'nogo zaryada za predelami nek-roi sfery radiusa D, nazyvaemogo debaevskim radiusom ekranirovaniya. Sledovatel'no, kvazineitral'nost' narushaetsya tol'ko v predelah ob'emov, razmer k-ryh men'she D.

Kollektivnost' plazmennyh processov proyavlyaetsya pri vypolnenii usloviya $n_e D^3\gg 1$ , t.e. kogda v debaevskoi sfere dostatochno mnogo elektronov, poskol'ku tol'ko elektrony, vzaimodeistvuya, obrazuyut obshee pole, upravlyayushee ih dvizheniem. Usloviyu $n_e D^3\gg 1$ mozhno pridat' i dr. smysl. Vnutr. energiya plazmy sostoit iz energii kulonovskogo vzaimodeistviya i kinetich. energii elektronov i ionov. Sr. rasstoyanie mezhdu chasticami $r=1/n_e^{1/3}$ , energiya kulonovskogo vzaimodeistviya blizhaishih sosedei $\sim e^2 n_e^{1/3}$ . Pri uslovii $n_e D^3\gg 1$ eta energiya sushestvenno men'she energii teplovogo dvizheniya, prihodyasheisya na otdel'nuyu chasticu 3/2kT. Plazmu v etih usloviyah mozhno schitat' ideal'noi, ee otlichie ot ideal'nogo gaza svyazano tol'ko s toi vazhnoi rol'yu, kakuyu mogut igrat' v nei kollektivnye vzaimodeistviya. Esli uslovie $n_e D^3\gg 1$ ne vypolneno, chto sootvetstvuet perehodu k bol'shim koncentraciyam chastic i men'shei temp-re, to P. naz. neideal'noi. P. bol'shinstva kosmich. ob'ektov - ideal'naya (P. v ionosfere, v magnitosfere, v solnechnom vetre i dr.), neideal'nym yavl. tol'ko elektronnyi gaz v ochen' plotnom veshestve zvezd - belyh karlikov.

Rol' parnyh elektronno-ionnyh stolknovenii v ideal'noi P. opredelyaetsya chastotoi etih stolknovenii
$\nu_{ef}=5,5 n_i\Lambda T_e^{-3/2}$ , (1)
gde $\Lambda$ - kulonovskii logarifm, ravnyi v kosmich. usloviyah $\approx$ 30-70. F-la (1) pokazyvaet, chto chastota $\nu_{ef}$ ubyvaet pri umen'shenii koncentracii ionov n_i, a takzhe pri uvelichenii temp-ry T_e (t.k. pri etom elektrony dvizhutsya bystree i pole ionov otklonyaet ih slabee). Pri vypolnenii usloviya $n_e D^3\gg 1$ chastota $\nu_{ef}$ sushestvenno men'she lengmyurovskoi chastoty, t.e. chastoty elektrostatich. kolebanii elektronov otnositel'no ionov. P., v k-roi chastoty, harakternye dlya kollektivnyh processov, sushestvenno prevyshayut chastotu parnyh stolknovenii $\nu_{ef}$ , a harakternye razmery, na k-ryh kollektivnye processy razvivayutsya, sushestvenno men'she dliny svobodnogo probega, naz. besstolknovitel'noi. V takoi P. raspredelenie chastic po skorostyam mozhet sushestvenno otlichat'sya ot ravnovesnogo - maksvellovskogo (puchki bystryh chastic, anizotropiya temp-r), chto yavl. prichinoi bol'shogo chisla mikroneustoichivostei. Kak besstolknovitel'naya kosmich. P. vedet sebya, napr., na frontah udarnyh voln.

Pri ochen' bol'shih plotnostyah v P. mogut stat' sushestvennymi i kvantovye effekty, prezhde vsego v usloviyah, kogda dlina volny de Broilya $\lambda_{B}\sim\hbar\sqrt{kT_e m_e}$ elektrona so sr. teplovoi skorost'yu $v_{T_e}\sim\sqrt{kT_e/m_e}$ blizka k rasstoyaniyu mezhdu elektronami $\sim 1/n_e^{1/3}$ . Pri etom elektronnyi gaz P. stanovitsya vyrozhdennym (sm. Vyrozhdennyi gaz). Eto imeet mesto, napr., v belyh karlikah.

P. ochen' vysokoi temperatury, kogda energiya teplovogo dvizheniya elektronov blizka k m_ec², naz. relyativistskoi. V nei naryadu s elektrostatich. kulonovskim vzaimodeistviem sushestvennuyu rol' igraet magn. vzaimodeistvie (primer - relyativistskaya P. v magnitosferah pul'sarov). Povedenie P. sil'no uslozhnyaetsya pri nalichii vnesh. magn. polya H₀. Magn. pole zastavlyaet elektrony dvigat'sya po krugovoi ili spiralevidnoi traektorii vokrug silovyh linii polya. Harakternaya chastota obrasheniya elektrona v magn. pole (larmorovskaya, ili ciklotronnaya chastota)
$\omega_{H_e}={eH_0\over{m_e c}}=1,8\cdot 10^7\cdot H_0$ (Gc) , (2)
gde H₀ dano v erstedah. Esli $\omega_{H_e}\gg \nu_{ef}$ , P. paz. zamagnichennoi. Pri etom sv-va P. okazyvayutsya anizotropnymi, poskol'ku napravlenie H₀ vydeleno. Takimi sv-vami obladaet mezhzvezdnyi gaz ili atmosfera Solnca nad solnechnymi pyatnami.

Po magn. sv-vam P. diamagnitna, t.k. v rezul'tate dvizheniya chasticy P. vo vneshnem magn. pole po krugovoi (spiral'noi) traektorii voznikaet orbital'nyi magn. moment, protivopolozhnyi po napravleniyu vnesh. polyu.

P. naz. holodnoi, esli skorostyami teplovogo dvizheniya elektronov $v_{T_e}$ mozhno prenebrech' po sravneniyu s dr. harakternymi skorostyami (napr., so skorost'yu rasprostraneniya voln), v protivopolozhnom sluchae P. naz. goryachei. Odna i ta zhe P. mozhet byt' odnovremenno i goryachei, i holodnoi dlya razlichnyh plazmennyh processov. Esli gazovoe davlenie elektronov v P. p_e=n_ekT mnogo men'she plotnosti energii $H^2/8\pi$ magn. polya, opredelyayushei davlenie polya, to ee naz. P. nizkogo davleniya, v protivnom sluchae - P. vysokogo davleniya. Sv-vami P. nizkogo davleniya obladayut, napr., mezhzvezdnyi gaz i hromosfera nad solnechnymi pyatnami, P. vysokogo davleniya - fotosfera ili vnutr. oblasti zvezd.

Kollektivnost' plazmennyh processov pozvolyaet legko vozbuzhdat' v P. kolebaniya i volny razlichnyh tipov. Kolebaniya harakterizuyut chastotoi $\omega$ , a volny, krome chastoty, dlinoi volny $\lambda$ , volnovym vektorom k, a takzhe ryadom dr. parametrov. Mezhdu chastotoi $\omega$ i volnovym vektorom k (ili volnovym chislom $k=|{\bf k}|=2\pi/\lambda$ ) sushestvuet svyaz', nazyvaemaya dispersionnym sootnosheniem. T.k. fazovaya skorost' volny, t.e. skorost' strogo monohromaticheskoi volny, $v_{f}=\omega/k$ , dispersionnoe sootnoshenie daet takzhe zavisimost' v_f, ot $\omega$ ili $\lambda$ . V obychnom, neionizovannom, gaze mogut rasprostranyat'sya volny razlichnyh tipov, ih dispersionnye sootnosheniya ochen' prosty. Napr., dlya zvukovyh voln maloi amplitudy $\omega=c_s k$ , gde c_s - skorost' zvuka. Zdes' v_fc_s, t.e. skorost' ne zavisit ot chastoty ili dliny volny. V P. znachitel'no bol'she razlichnyh tipov voln, i ih dispersionnye sootnosheniya mnogo slozhnee. Na ris. shematicheski, bez soblyudeniya masshtaba, naneseny dispersionnye sootnosheniya besstolknovitel'noi P. nizkogo davleniya. Nizhe daetsya perechen' osn. vidov plazmennyh voln i opisyvayutsya ih sv-va.

Elektromagnitnye volny.
V P. bez magn. polya (H₀=0) el.-magn. volny yavl. poperechnymi. Dispersionnoe sootnoshenie dlya el.-magn.. voln v P.:
$\omega^2=\omega_{0e}^2+c^2k^2$ i $v_{f}={\omega\over k}=c\sqrt{1+{\omega_{0e}^2\over{(ck)^2}}}$ , (3)
gde lengmyurovskaya chastota
$\omega_{0e}=\sqrt{{4\pi e^2 n_e\over{m_e}}}$ . (4)

Iz (4) sleduet, chto fazovaya skorost' radiovoln v P. v_f > c i chto el.-magn. volny s chastotoi, men'shei lengmyurovskoi ( $\omega <\omega_{0e}$ ), v P. rasprostranyat'sya ne mogut. S dr. storony, el.-magn. volny s bol'shei chastotoi, rasprostranyayas' v storonu uvelicheniya elektronnoi koncentracii, ispytyvayut polnoe vnutr. otrazhenie. Eti osobennosti vazhny pri issledovanii rasprostraneniya radiovoln v solnechnoi korone, mezhzvezdnom gaze i ionosfere. Napr., P. zemnoi ionosfery otrazhaet radiovolny, esli ih chastota men'she ili sravnima s $\omega_{0e}$ . V rezul'tate neprozrachnost' ionosfery dlya etih voln ogranichivaet s dlinnovolnovoi storony "radioastronomicheskoe okno" prozrachnosti zemnoi atmosfery i, s dr. storony, obespechivaet rasprostranenie radiovoln vdol' zemnoi poverhnosti.

V solnechnoi korone ochen' dlinnye radiovolny dohodyat do nas tol'ko iz teh ee sloev, k-rye raspolozheny vyshe sloya polnogo vnutr. otrazheniya, ne propuskayushego izluchenie etogo tipa iz bolee glubokih sloev korony naruzhu. Poetomu intensivnost' dlinnovolnovogo izlucheniya Solnca mala.

Rasprostranenie radiovoln v P., nahodyasheisya vo vneshnem magn. pole ( $\omega_{He}\ne 0$ ), obladaet ryadom osobennostei. Naibolee prost i chashe vsego vstrechaetsya sluchai "kvaziprodol'nogo rasprostraneniya", kogda $\omega_{He}\ll \omega_{0e}$ i ugol $\theta$ mezhdu volnovym vektorom volny k i napravleniem vneshnego magn. polya H₀ ne slishkom blizok k $\pi/2$ , t.e. volna rasprostranyaetsya ne tochno poperek polya. Esli v P. bez magn. polya el.-magn. volna ostaetsya vse vremya lineino polyarizovannoi, t.e. napravlenie ee elektrich. vektora ne menyaetsya pri rasprostranenii, to v P. s magn. polem el.-magn. volny okazyvayutsya polyarizovannymi po krugu (v sluchae kvaziprodol'nogo rasprostraneniya) ili ellipticheski polyarizovannymi v bolee obshem sluchae. Krugovaya polyarizaciya v sluchae kvaziprodol'nogo rasprostraneniya ob'yasnyaetsya vozniknoveniem v P. dvuh voln - obyknovennoi i neobyknovennoi. Elektrich. vektor neobyknovennoi volny vrashaetsya po krugu v tu zhe storonu, chto i elektrony, a elektrich. vektor obyknovennoi volny - v protivopolozhnuyu storonu. Obyknovennaya i neobyknovennaya volny rasprostranyayutsya v P. s raznoi skorost'yu i s raznymi pokazatelyami poglosheniya, poslednii u neobyknovennoi volny, kak pravilo, bol'she. Eto, v chastnosti, privodit k tomu, chto u ryada kosmich. istochnikov nablyudaetsya tol'ko izluchenie, polyarizovannoe po krugu (chashe vsego obyknovennaya volna). Issledovanie polyarizacii el.-magn. voln, rasprostranyayushihsya v kosmich. P., sluzhit odnim iz vazhneishih istochnikov svedenii o kosmich. magn. polyah.

Elektronno-plazmennye (lengmyurovskie) volny. Pri smeshenii elektronov P. otnositel'no ionov voznikaet elektrostatich. sila, stremyashayasya vernut' ih v polozhenie ravnovesiya. Kollektivnost' plazmennyh processov privedet k tomu, chto v kolebaniyah srazu primet uchastie mnogo elektronov. Esli temp-ra P. mala, to voznikayut tol'ko t. n. elektrostatich. kolebaniya na chastote $\omega_{0e}$ . Pri uvelichenii temp-ry i usilenii teplovogo dvizheniya elektronov poyavlyayutsya lengmyurovskie volny (ris.). Eti volny, podobno zvukovym, prodol'nye. Iony v ih rasprostranenii ne uchastvuyut, t.k. obladayut bol'shoi massoi i ne mogut kolebat'sya s vysokoi chastotoi, s kakoi koleblyutsya elektrony. Dvizhenie elektronov proishodit v etom sluchae pod deistviem dvuh faktorov: perepada ih davleniya i elektrich. polya. V otlichie ot el.-magn. voln, zdes' vektor elektrich. polya napravlen vdol' vektora k (prodol'nye elektrich. volny). Magn. pole pri $\omega_{0e}\gg \omega_{He}$ ne vliyaet sushestvenno na sv-va lengmyurovskih voln.

Fazovaya skorost' plazmennyh voln:
$v_{f}={\omega\over k}=v_{T_e}\left( 1-{\omega_{0e}^2\over{\omega^2}} \right)^{-1/2}$ (5)
gde $v_{T_e}$ - teplovaya skorost' elektronov. Esli chastota $\omega$ blizka k