Плазма – четвертое состояние вещества

Плазма — наиболее распространенное состояние вещества в природе

В 1929 г. американские физики Ирвинг Лёнгмюр (1881-1957) и Леви Тонко (1897-1971) назвали плазмой ионизованный газ в газоразрядной трубке.

Английский физик Уильям Крукс (1832-1919), изучавший электрический разряд в трубках с разрежённым воздухом, писал: «Явления в откачанных трубках открывают для физической науки новый мир, в котором материя может существовать в четвёртом состоянии».

В зависимости от температуры любое вещество изменяет своё состояние. Так, вода при отрицательных (по Цельсию) температурах находится в твёрдом состоянии, в интервале от 0 до 100 °С  — в жидком, выше 100 °С-в газообразном. Если температура продолжает расти, атомы и молекулы начинают терять свои электроны — ионизуются и газ превращается в плазму. При температурах более 1 000 000 °С плазма абсолютно ионизована — она состоит только из электронов и положительных ионов. Плазма — наиболее распространённое состояние вещества в природе, на неё приходится около 99 % массы Вселенной. Солнце, большинство звёзд, туманности — это полностью ионизованная плазма. Внешняя часть земной атмосферы (ионосфера) тоже плазма.

Ещё выше располагаются радиационные пояса, содержащие плазму. Полярные сияния, молнии, в том числе шаровые, — всё это различные виды плазмы, наблюдать которые можно в естественных условиях на Земле. И лишь ничтожную часть Вселенной составляет вещество в твёрдом состоянии — планеты, астероиды и пылевые туманности.

Солнечный ветер

До 1958 года считалось, что магнитное поле Земли представляет собой поле магнитного диполя, которое существует во всем пространстве и исчезает лишь при бесконечно большом удалении от планеты. Однако исследования, проведенные с помощью спутников и космических ракет, показали,  что геомагнитное поле имеет другую  форму.  Его сдувает поток заряженных частиц, непрерывно испускаемых Солнцем, — солнечный ветер. Это водородная плазма с концентрацией около 10 частиц/см³ , движущаяся скоростью 300 — 500 км/с в межпланетной среде, которая тоже находится в состоянии плазмы с плотностью 100 частиц/см³.

При обтекании солнечным ветром магнитного слоя Земли образуется ударная волна, поэтому форма силовых линий магнитного поля на расстояниях, примерно равных семи — восьми радиусам Земли, существенно отличается от дипольной. Геомагнитное поле образует так называемую магнитосферу. С дневной стороны солнечный ветер ее «сжимает», а с ночной — «вытягивает». Возникает весьма длинный «хвост», начинающийся на расстоянии десяти радиусов Земли.

Плазменное покрывало Земли

Уже с помощью первых спутников Земли было обнаружено, что в магнитосфере планеты есть области с относительно высокой концентрацией  электронов и ионов больших энергий — радиационные пояса. Выделяют два радиационных пояса. Внутренний, где преобладают протоны, начинается на высоте 500 км от поверхности Земли. И простирается на несколько тысяч километров. Внешний, состоящий в основном из электронов, имеет максимальную плотность частиц на расстоянии около 22 тысяч км от планеты. Частицы, попавшие в радиационные пояса, могут довольно долго удерживаться геомагнитным полем.

С этими частицами связано явление полярного сияния. При вспышках на Солнце усиливается солнечный ветер, что приводит к возникновению сильных магнитогидродинамических волн.

Их распространение вызывает колебания магнитного поля в магнитосфере Земли, а, следовательно, изменение условий удержания частиц в радиационных поясах. Заряженные частицы буквально «высыпаются» в области полюсов Земли.

Сталкиваясь с нейтральными атомами в верхних слоях атмосферы, они переводят их в возбужденное состояние или ионизуют.  Освобождаясь от избытка энергии, возбужденные атомы испускают фотоны, потоки которых наблюдаются как сияние.

Что такое плазма

Под плазмой в физике понимают газ, состоящий из электрически заряженных и нейтральных частиц, в котором суммарный электрический заряд равен нулю, то есть,  выполнено условие квазинейтральности (поэтому, например, пучок электронов, летящих в вакууме, не плазма: он несет отрицательный заряд).

Чтобы перевести газ в состояние плазмы, нужно оторвать хотя бы часть электронов от атомов, превратив эти атомы в ионы.  Такой отрыв от атомов называют ионизацией. В природе и технике ионизация может производиться различными путями. Самые распространенные  из них:

• Ионизация теплом.
• Ионизация излучением.
• Ионизация электрическим разрядом.
• Ионизация давлением.