Как выглядит плазма солнца

Облако плазмы с Солнца накрыло Землю. Как это скажется на людях и планете?

Облако плазмы, выброшенное с Солнца, неопасно для людей. Однако это явление все-таки может повлиять на происходящее на планете. Об этом «360» рассказал главный научный сотрудник лаборатории «Рентгеновская астрономия Солнца» ФИАН Сергей Богачев.

Несмотря на такие грозные слова, как „вспышка“, „облако плазмы“, надо понимать, что речь идет о физическом явлении. Это явление известно науке. Оно регулярно происходит с какой-то периодичностью. Действительно, три года Солнце было в спокойном состоянии и такого рода феноменов не было. Вот это такое первое событие. Оно является предвестником некоего роста активности Солнца, который ученые тоже ожидали и который, видимо, в ближайшие два-три года пройдет

Ученый также объяснил, что такое облако плазмы.

«Это солнечное вещество. В некоторым смысле тот газ, который три дня светил на солнце, неожиданно для нас оказался около нашей планеты», — сказал он.

Собеседник «360» подчеркнул, что никакой опасности для человечества это явление не несет. Ведь люди живут на Земле «под защитой атмосферы, магнитного поля», поэтому «прямо сюда к нам эта плазма не проникнет».

Тем не менее облако плазмы может повлиять на работу космических аппаратов, нагрузки на них увеличатся. Возможны перебои в связи.

«Кроме того, какие-то отголоски до Земли доходят. Так называемые магнитные бури, полярные сияния. Вероятность этих событий повышена в ближайшие сутки», — заключил эксперт.

Предположительно, уже через день облако пройдет мимо Земли.

Вспышка на Солнце произошла вечером 7 декабря. Тогда звезда выбросила облако плазмы, которое спустя три дня достигло Земли.

Источник

Что такое плазма? Для тех, кто не понимает физику

На фото — полное солнечное затмение, наблюдавшееся во Франции в 1999 году. Остроконечное гало света — это плазма из короны Солнца

Материя существует в четырех возможных состояниях: твердом, жидком, газообразном и в виде плазмы, представляющей собой электрифицированный газ. Мы редко сталкиваемся с естественной плазмой — ее можно увидеть при грозе и северном сиянии или если смотреть на Солнце через специальный фильтр. Тем не менее, плазма, при всей ее скудности в нашей повседневной жизни, составляет более 99% наблюдаемой материи во Вселенной (то есть если не учитывать темную материю).

Как образуется плазма

Представьте себе, что вы нагреваете контейнер, полный льда, и наблюдаете, как он переходит из твердого состояния в жидкое и затем в газ. По мере того как температура поднимается, молекулы воды становятся более энергичными и возбудимыми и перемещаются все более и более свободно. Если вы продолжите нагрев, то при температуре около 12 тысяч градусов по Цельсию атомы сами начнут распадаться. Электроны убегут из ядер, оставляя позади заряженные частицы, известные как ионы, которые, в итоге, оказываются в супе электронов. Это и есть состояние плазмы.

Плазма в физике и в крови

Связь между кровью и «физической» плазмой — это больше, чем просто совпадение. В 1927 году американский химик Ирвинг Ленгмюр заметил, что, как плазма переносит электроны, ионы, молекулы и другие примеси, так и плазма крови переносит красные и белые кровяные тела и микробы. Ленгмюр стал пионером в изучении плазмы. Вместе со своим коллегой Леви Тонксом он также обнаружил, что плазма характеризуется быстрыми колебаниями электронов из-за коллективного поведения частиц.

Еще одним интересным свойством плазмы является ее способность поддерживать так называемые гидромагнитные волны-выпуклости, которые движутся через плазму вдоль линий магнитного поля, подобно тому, как колебания распространяются вдоль гитарной струны. Когда в 1942 году шведский ученый Ханнес Альфвен, который впоследствии стал лауреатом Нобелевской премии, впервые предположил существование этих волн, сообщество физиков отнеслось к этому скептически. Но после того, как Альфвен прочитал лекцию в Чикагском университете, известный физик и преподаватель Энрико Ферми подошел к нему, чтобы обсудить теорию, признав, что такие волны могут существовать.

Термоядерный синтез

Одним из самых больших стимулов развития современной плазменной науки является перспектива управляемого термоядерного синтеза, при котором атомы сливаются вместе и выделяют интенсивные, но управляемые всплески энергии. Это обеспечило бы почти безграничный источник безопасной, экологически чистой энергии, но это не такая простая задача. Прежде чем на Земле произойдет такое слияние, плазма должна быть нагрета до более чем 100 миллионов градусов по Цельсию, что примерно в 10 раз горячее, чем центр Солнца. Но и это не самое сложное, поскольку ученым удалось достичь такой температуры в 1990-е годы. Однако горячая плазма очень нестабильна, поэтому ее трудно хранить и ею трудно управлять.

Попытки достичь управляемого термоядерного синтеза датируются началом 1950-х годов. В то время исследования проводились тайно Соединенными Штатами, а также Советским Союзом и Великобританией. В США, Принстонский Университет был точкой опоры для этого исследования. Там физик Лайман Спитцер начал проект Matterhorn, в рамках которого секретная группа ученых пыталась достичь управляемого термоядерного синтеза с помощью устройства под названием «стелларатор». У них не было компьютеров, и приходилось полагаться только на собственные расчеты. Хотя они не решили головоломку, они в конечном итоге разработали «энергетический принцип», который и сегодня остается мощным методом проверки идеальной стабильности плазмы.

Между тем, ученые Советского Союза создали другое устройство — токамак. Эта машина, разработанная физиками Андреем Сахаровым и Игорем Таммом, использовала сильное магнитное поле, чтобы загнать горячую плазму в форму пончика. Токамак лучше удерживал плазму в горячем и стабильном состоянии, и по сей день большинство исследовательских программ по термоядерному синтезу опираются на дизайн токамака. Сегодня Китай, Европейский Союз, Индия, Япония, Корея, Россия и США объединились для строительства крупнейшего в мире реактора на токамаке, открытие которого ожидается в 2025 году. Тем не менее, в последние годы также возродился энтузиазм в отношении стеллараторов, и крупнейший в мире открылся в Германии в 2015 году. Инвестирование в оба метода, вероятно, дает нам лучший шанс в конечном итоге добиться успеха.

Плазма в околоземном пространстве

Плазма также связана с физикой пространства вокруг Земли, где вещества переносятся с помощью ветров, генерируемых в верхней атмосфере Солнца. Нам повезло, что магнитное поле Земли защищает нас от заряженных плазменных частиц и разрушительного излучения такого солнечного ветра, однако все наши спутники, космические корабли и астронавты подвергаются этому воздействию. Их способность выжить в этой враждебной среде зависит от понимания и приспособления к причудам плазмы.

В новой области, известной как «космическая погода», физика плазмы играет роль, аналогичную динамике жидкости в наземных атмосферных условиях. Есть такое явление, как магнитное пересоединение, при котором линии магнитного поля в плазме могут разрываться и пересоединяться, что приводит к быстрому высвобождению энергии. Считается, что этот процесс питает солнечные вспышки, хотя детальное понимание остается труднодостижимым. Но в будущем мы сможем предсказывать солнечные бури так же, как и плохую погоду на Земле.

В чем плазма помогает нам сегодня

Возможно, однажды физика плазмы даст нам представление о том, как впервые сформировались звезды, галактики и скопления галактик. Согласно стандартной космологической модели, плазма была распространена в ранней Вселенной, затем все стало остывать и заряженные электроны и протоны связывались вместе, чтобы сделать атомы водорода электрически нейтральными. Это состояние продолжалось до тех пор, пока не образовались первые звезды и черные дыры, которые начали излучать радиацию, после чего Вселенная «реионизировалась» и вернулась в состояние плазмы.

Сегодня благодаря плазме ученые могут находить черные дыры. Они настолько плотные, что практически не отражают свет, поэтому практически невидимы для прямого наблюдения. Однако черные дыры, как правило, окружены вращающимся диском плазменного вещества, который движется в пределах гравитационного притяжения черной дыры и испускает фотоны высокой энергии. Именно их ученые могут наблюдать в рентгеновском спектре.

Плазма все еще кажется нам довольно экзотичным состоянием вещества, но по мере того, как мы будем учиться использовать ее потенциал и расширять наш взгляд на космос, она в один прекрасны день может стать для нас такой же обычной, как лед и вода. А если мы когда-нибудь достигнем контролируемого ядерного синтеза, то без плазмы мы больше просто не сможем жить.

Источник

ПЛАЗМА — СОСТОЯНИЕ СОЛНЕЧНОЙ МАТЕРИИ

Несмотря на то, что почти вся масса во Вселенной существует в состоя­нии плазмы, в земных условиях с плазмой мы сталкиваемся чрезвычайно редко, например в таких случаях, как разряд молнии или разряд радиационного источ­ника. Однако вся масса звезд, включая наше Солнце (за исключением нейтрон­ных звезд) и большая часть межзвездной массы находятся в плазменном со­стоянии, в сравнении с которым вся остающаяся масса вселенной — «мусор». Все планеты, астероиды, луны, кометы и даже наша собственная Земля — части (того «мусора». Плазма — источник электромагнитных волн и, в особенности, видимого света. В высокотемпературной плазме электрически заряженные час­тицы перемещаются с огромными скоростями, взаимодействуя друг с другом и быстро изменяя скорости и направления движения. Спектр такой радиации не­прерывен. В низкотемпературной плазме присутствуют атомы с электронами, связанными в электронных оболочках. Их взаимодействия приводят к перехо­дам электронов между различными энергетическими уровнями в электронных оболочках. Энергия, высвобождаемая в результате таких переходов на более низкие уровни, также испускается в форме электромагнитных волн. Спектр этого излучения имеет линейчатую или полосчатую картину.

Свойства плазмы отличаются весьма существенно от свойств твердых тел, жидкостей и газов. Поэтому плазму принято считать четвертым состояни­ем вещества.

Что такое плазма? В принципе, плазма это вещество в высокоионизиро­ванном состоянии, соответствующем некоторым другим условиям (так как ве­щество всегда до некоторой степени ионизовано). Не только в газах, но также и в твердых телах множество свободных электронов (движущихся на фоне поло­жительно заряженных ионов, твердо зафиксированных в кристаллической ре­шетке), могут наблюдаться как плазма. По определению, плазма — квазинейт­ральный газ заряженных и нейтральных частиц, ведущих себя коллективно. Что это означает?

Нейтральные молекулы взаимодействуют только путем взаимных столк­новений таким образом, чтобы их поведение зависело только от поведения ближайших соседних молекул. Однако движение электрически заряженных частиц может создавать области с более высокой или более низкой концентра­цией положительного или отрицательного заряда и, следовательно, электриче­ских полей. Через электромагнитное взаимодействие эти области влияют на движение других заряженных частиц на больших расстояниях, поскольку

Кулоновские (электростатические) силы намного сильнее и продолжительнее, чем сила взаимодействия между атомами и молекулами.

Плотность электрически заряженных частиц в плазме должна быть доста­точно высокой, чтобы электромагнитные взаимодействия доминировали над столкновениями между нейтральными атомами и молекулами. Отсюда специ­фическое движение плазмы. Под коллективным поведением мы понимаем дви­жение, которое зависит не только от условий в непосредственной близости, но также и от плазменных условий на больших расстояниях. Таким образом, плаз­ма оказывает воздействие на себя. Это движение может ясно наблюдаться, на­пример, в солнечных извержениях (протуберанцах).

Плотность электрически заряженных частиц в плазме должна быть высо­кой еще и для того, чтобы электромагнитные взаимодействия доминировали над столкновениями между нейтральными атомами и молекулами. В этих условиях ионизированный газ способен экранировать внешние электрические поля, фор­мируя объемные заряды. Эти объемные заряды препятствуют тем изменениям, которые создали их, действуют против них и устанавливают новое равновесие. Экранирующий объемный заряд заряженных частиц с противоположным заря­дом образуется вокруг внешнего электрического заряда, который встроен в плазму и поддерживается там внешней силой, как это показано на рис. 4.1.

Ширина этого слоя увеличивается с температурой и уменьшается с увели­чением плотности частиц. Это и понятно. Кинетическая энергия заряженных час­тиц вызывает недостаточное экранирование, так что вне объемного заряда элект­рическое поле не равно нулю, но приближается к нулю, как показано на рис. 4.2.

По этой причине у частиц вблизи экранирующего слоя кинетической энер­гии достаточно для того, чтобы покинуть потенциальную яму, созданную элект­ростатическими силами. Более высокая температура заряженных частиц приво­дит к большей диффузности экранирующего слоя и к большей его ширине.

Рис. 4.2. Форма потенциала в экранирующем слое в плазме

С другой стороны, чем выше концентрация заряженных частиц, тем выше электростатические силы. Следовательно, объемный заряд имеет более резкую границу. Трудности с определением точной границы слоя экранирования при­водят к необходимости введения новой величины, названной длиной Дебая, ко­торая является мерой экранирующей способности плазмы. Математика дает экспоненциальную зависимость для электрического потенциала (р от расстоя­ния d, и длина Дебая XD определяется как расстояние, на котором электрический

потенциал (р() уменьшается до —, где е — известная математическая константа —

основа натуральных логарифмов.

Квазинейтральность означает, что с точки зрения макроскопической пер­спективы плотность электронов фактически равна плотности ионов даже в ма­лых объемах плазмы; это называют плазменной плотностью. Плазма, таким об­разом, внешне электрически нейтральна, но с микроскопической точки зрения электромагнитные взаимодействия свободных электронов и ионов придают плазме ее некоторые особенности. Например, возможность того, что у электро­нов и ионов имеют место различные температуры в одной и той же плазме; дрейф или смещение частиц в магнитном поле; нагрев плазмы многоступенча­тым адиабатным сжатием в магнитных зеркалах (или так называемый пинч — эффект); плазменные волны (например, плазменные колебания, свист, ударные волны и т. д.); нелинейные эффекты (такие как существование стенного слоя); плазменный край (а именно, граница между частотами переданных и отражен­ных фотонов, то есть, электромагнитные волны) и т. д. Более детальное описа­ние этих эффектов не является предметом рассмотрения этой главы. Те, кто ин-

тересуется этими вопросами, могут найти дополнительную информацию в спе­циальной литературе, например в [6].

Чтобы соответствовать определению плазмы, данной выше, должны быть также выполнены и другие условия. Объем плазмы по размеру должен быть намного большим (по крайней мере, на один порядок величины), чем длина Де­бая. Только тогда, когда все внешние потенциалы будут экранированы на рас­стояниях, меньших, чем размер плазмы, квазинейтральность будет сохраняться. Более того, дебаевское экранирование будет иметь статистический характер, если число заряженных частиц будет достаточно большим. Небольшое количе­ство электронно-ионных пар не могут рассматриваться как плазма.

Температура — результат движения частиц. Однако температура плазмы требует несколько другой интерпретации, чем обычно. В плазме высокая тем­пература не связана с высокой тепловой энергией. Например во флуоресцент­ной трубе дуговой разряд низкого давления «горит» в смеси паров Аг и Hg. Различные температуры существуют в одной и той же плазме, поскольку элек­троны и ионы имеют различные массы и по-разному ускоряются в электриче­ском поле. Поэтому они имеют различные средние энергии. Электронная тем­пература имеет порядок Т *104К. Но давление газа низко, концентрация час­тиц относительно мала и теплоемкость низка. Тепловая энергия передается стеклянной трубе путем воздействия частиц, испускаемых в окружающую сре­ду. Температура задается статистическим распределением энергии индивиду­альных частиц [58]. Согласно соотношению Е = кТ, где к — постоянная Больц­мана, а температура Т = 11 600 К соответствует энергии Е = 1 eV. Это явление наблюдается также и в атмосфере Земли. На высотах, больших, чем h = 10 000 м от поверхности Земли, атмосфера более сильно ионизована под воздействием космического излучения. Температура плазмы достигает величины выше, чем Т> 10 000 К, в то время как температура воздуха очень мала. Следует подчерк­нуть, что при такой низкой температуре плазмы кратность ионизации обычно очень низка. Большинство атомов находится в нейтральном состоянии и только некоторые ионизованы. Процент ионизованных атомов — малая величина.

На рис. 4.3 представлены типичные области некоторых типов плазмы в за­висимости от ее плотности и энергии электрона. Для некоторых областей также даны порядки величины дебаевских длин в метрах. Очевидно, что у плазмы есть действительно очень широкие пределы. Она может существовать при концентра­циях заряженных частиц от я«106м

3 в межзвездном пространстве до ««Юм в ядрах звезд. При взрывах сверхновой звезды плотность может быть еще более высокой. Точно так же энергии заряженных частиц могут составлять величины около Е « 10 2 eV в межзвездном пространстве, около £ « 10 2 eV в ионно-электронном газе в твердом теле и до Е * 104 еV в ядрах самых горячих звезд. Но с какой плазмой мы можем обычно сталкиваться на Земле?

Степень ионизации в плазме пламени в классических процессах горения или быстрого окисления очень мала. При обычном горении температура в пла­мени составляет величину приблизительно Г = 1000 К, а в специально сконст­руированных горелках она достигает максимума — Т = 4500 К.

Источник