Задумывались ли Вы когда-нибудь над тем, что содержится в межзвёздном или в межгалактическом пространстве? В космосе технический вакуум, а стало быть ничего не содержится (не в абсолютном смысле, что ничего не содержится, а в относительном смысле). И Вы будете правы, потому что в среднем в межзвёздном пространстве около 1000 атомов на кубический сантиметр и на очень огромных расстояниях плотность вещества ничтожно мала. Но тут не всё так просто и однозначно. Пространственное распределение межзвёздной среды нетривиально. Помимо общегалактических структур, таких как перемычка (бар) и спиральные рукава галактик, есть и отдельные холодные и тёплые облака, окружённые более горячим газом. В межзвёздной среде (МЗС) огромное количество стуктур: гигантские молекулярные облака, отражательные туманности, протопланетные туманности, планетарные туманности, глобулы и т. д. Это приводит к широкому спектру наблюдательных проявлений и процессов, происходящих в среде. Далее списком перечисляются стуктуры, присутствующие в МЗС:
- Корональный газ
- Яркие области HII
- Зоны HII низкой плотности
- Межоблачная среда
- Тёплые области HI
- Мазерные конденсации
- Облака HI
- Гигантские молекулярные облака
- Молекулярные облака
- Глобулы
Чтобы ответить на данный вопрос, надо дать определение: что же такое плазма и по каким параметрам физики считают данное состояние вещества плазмой?
Согласно современным представлениям о плазме, это четвёртое состояние вещества, которое находится в газообразном состоянии, сильно ионизированное (первое состояние - твёрдое тело, второе - жидкое состояние и наконец третье - газообразное). Но не каждый газ, даже ионизированный, является плазмой.
Плазма состоит из заряженных и нейтральных частиц. Положительно заряженными частицами являются положительные ионы и дырки(плазма твёрдого тела), а отрицательно заряженными частицами - электроны и отрицательные ионы. Прежде всего необходимо знать концентрации того или иного сорта частиц. Плазма считается слабо ионизированная, если так называемая степень ионизации, равная
Где - концентрация электронов, - концентрация всех нейтральных частиц в плазме, лежит в диапазоне . А полностью ионизированная плазма имеет степень ионизации
Но как было сказанно выше, что не всякий ионизованный газ представляет собой плазму. Необходимо чтобы плазма обладала свойством квазинейтральности , т.е. в среднем за достаточно большие промежутки времени и на достаточно больших расстояниях плазма была в целом нейтральная. Но каковы эти промежутки времени и расстояния, при котором газ можно считать плазмой?
Итак, требование квазинейтральности следующее:
Давайте сначала выясним, как физики оценивают временной масштаб разделения зарядов. Представим себе, что некоторый электрон в плазме отклонился от своего первоначального равновесного положения в пространстве. На электрон начинает действовать кулоновская сила , стремящаяся вернуть электрон в равновесное состояние, т.е. , где - среднее расстояние между электронами. Это расстояние примерно оценивается следующим образом. Допустим концентрация электронов (т.е. количество электронов в единице объёма) есть . Электроны находятся в среднем на расстоянии друг друга , значит занимают объём в среднем . Отсюда, если в этом объёме 1 электрон, . В результате электрон начнёт колебаться около равновесного положения с частотой
Более точная формула
Эта частота называется электронной ленгмюровской частотой . Её вывел американский химик Ирвин Ленгмюр, лауреат нобелевской премии по химии «за открытия и исследования в области химии поверхностных явлений».
Таким образом естесственно принять за временной масштаб разделения зарядов величину, обратную ленгмюровской частоте
В космосе, в огромных масштабах, за отрезки времени частицы совершают много колебаний около равновесного положения и плазма в целом будет квазинейтральная, т.е. по временным масштабам межзвёздную среду можно принять за плазму.
Но также необходимо оценить и пространственные масштабы, чтобы точно показать, что космос - это плазма. Из физических соображений ясно, что этот пространственный масштаб определяется длиной, на которую может сместится возмущение плотности заряженных частиц вследствие их теплового движения за время, равное периоду плазменных колебаний. Таким образом, пространнственный масштаб равен
где . Откуда взялась эта замечательная формула, спросите Вы. Будем рассуждать так. Электроны в плазме при равновесной температуре термостата постоянно двигаются с кинетической энергией . С другой стороны, из статистической термодинамики известен закон равномерного распределения энергии, и в среднем на каждую частицу приходится . Если сравнять эти две энергии, то мы получим формулу скорости, представленную выше.
Итак, мы получили длину, которую в физике называют электронный дебаевский радиус или длина .
Сейчас я покажу более строгий вывод уравнения Дебая. Опять представим себе N электронов, которые под действием электрического поля смещаются на некоторую величину. При этом образуется слой объёмного заряда с плотностью равной , где - заряд электрона, - концентрация электронов. Из электростатики хорошо известна формула Пуассона
Здесь - диэлектрическая проницаемость среды. С другой стороны электроны двигаются за счёт теплового движения и электроны распределяются согласно распределению Больцмана
Подставим уравнение Больцмана в уравнение Пуассона, получим
Это уравнение Пуассона-Больцмана. Разложим экспоненту в этом уравнении в ряд Тейлора и отбросим величины второго порядка и выше.
Подставим это разложение в уравнение Пуассона-Больцмана и получим
Это и есть уравнение Дебая. Более точное название - уравнение Дебая-Хюккеля. Как мы выяснили выше, в плазме, как в квазинейтральной среде, второе слагаемое в этом уравнении равно нулю. В первом слагаемом мы по сути имеем длину Дебая .
В межзвёздной среде дебаевская длина равна около 10 метров, в межгалактической среде около метров. Мы видим, что это достаточно большие величины, по сравнению, например, с диэлектриками. Это означает, что электрическое поле распространяется без затухания на эти расстояния, распределяя заряды в объёмные заряженные слои, частицы которых колеблются около положений равновесия с частотой, равной ленгмюровской.
Из этой статьи мы узнали две фундаментальные величины, которые определяют является ли космическая среда плазмой, несмотря на то, что плотность этой среды предельно мала и космос в целом является физическим вакуумом в макроскопических масштабах. В локальных масштабах мы имеем как газ, пыль, либо плазму
Теги:
- плазма
- физика
- космос
Межзвездные атомы гелия представляют собой уникальный источник информации о параметрах Локальной межзвездной среды, окружающей гелиосферу, - область космического пространства, занимаемую солнечным ветром. В 1990–2007 гг. потоки межзвездных атомов гелия измерялись на космическом аппарате "Улисс" (Ulysses ). А с 2009 г. эти потоки измеряются на американском космическом аппарате Interstellar Boundary Explorer (IBEX), основной целью которого является удаленная диагностика свойств границы гелиосферы.
Академик Лев Матвеевич Зеленый, директор института космических исследований (ИКИ) в беседе с главным редактором журнала рассказал о роли космической погоды в исследовании космоса и о об исследованиях, поставивших суровые ограничения сроков пребывания в космосе.
Профилактика. Эфир от 22.06.2011
Политолог Дмитрий Абзалов помогает разобраться, зачем "Единая Россия" предложила возродить милицию. Ведущие обсуждают роль Общероссийского народного фронта в выборах губернаторов. Анатолий Петрукович, представитель Института космических исследований РАН, рассказывает о том, что такое магнитные бури и насколько они для нас опасны. Ансамбль "Казачий круг" исполняет альтернативные военные песни.
Миссия «Cluster», восставшая из огня подобно Фениксу
После первого неудачного запуска ракеты «Ariane-5», потерпевшей катастрофу практически на старте в июне 1996 г., четырехспутниковая система «Cluster» Европейского космического агентства была, наконец, запущена летом 2000 г. носителями «Союз-Фрегат» с космодрома Байконур. Цель миссии «Cluster» - исследовать земную магнитосферу и установить, какое влияние оказывает на нее солнечная активность.
Квартет «Cluster» исследует тайны магнитосферы
Четырехспутниковая миссия «Cluster» позволяет производить идентичные измерения сразу в четырех точках пространства (впервые в истории магнитосферных исследований!)*. Благодаря этому удается исследовать трехмерную структуру объектов, определять плотность тока и, главное, разделять пространственный и временной эффекты в наблюдении изучаемых явлений.
космическая плазма
плазма в косм. пространстве и в косм. объектах: звёздах, звёздных атмосферах, галактич. туманностях и т. п. Плазменное состояние &mdash ; наиб. распространённое состояние в-ва во Вселенной.В околоземном косм. пространстве К. п. можно рассматривать в известном смысле как плазму ионосферы, имеющую плотность n до ~10 5 см -3 на высотах ~350 км; плазму радиационных поясов Земли, (n~10 7 см -3) и магнитосферы ; вплоть до неск. земных радиусов простирается т. н.
плазмосфера, характеризующаяся плотностью ч-ц ~10 2 см -3 . Потоки солн. плазмы, двигающейся радиально от Солнца (т. н. солнечный ветер), по данным прямых измерений в космосе, имеют плотность ~(1—10) см -3 . Наименьшими плотностями характеризуется К. п. в межзвёздном и межгалактич. пространстве (вплоть до n 10 -3 —10 -4 см -3). В таких К. п., как правило, отсутствует термодинамич. равновесие, в частности между электронной и ионной компонентами. По отношению к быстропротекающим процессам (напр., ударным волнам) такие плазмы явл. бесстолкновительными.
Солнце и звёзды можно рассматривать как гигантские сгустки К. п. с плотностью, постепенно возрастающей от внеш. частей к центру, последовательно: корона, хромосфера, фотосфера, конвективная зона, ядро.
Классификация видов плазмы: ГР — плазма газового разряда; МГД — плазма в магнитогидродинамич. генераторах; ТЯП-М — плазма в термоядерных магн. ловушках; ТЯП-Л — плазма в условиях лазерного термоядерного синтеза; ЭГМ — электронный газ в металлах: ЭДП — электронно-дырочная плазма ПП; БК — вырожденный электронный газ в белых карликах; И — плазма ионосферы; СВ — плазма солн. ветра; GK — плазма солн. короны; С — плазма в центре Солнца; МП — плазма в магнитосферах пульсаров.
Макс., расчётная плотность К. п. в центре нормальных звёзд ~10 24 см -3 . В массивных и компактных звёздах плотность К. п. может быть на неск. порядков выше. Так, в белых карликах плотность настолько велика, что эл-ны оказываются вырожденными (см. Вырожденный газ). При ещё больших плотностях, как, напр., в нейтронных звёздах, вырождение наступает и для нуклонов.
К. п., как правило, явл. идеальным газом. Условие идеальности (малости энергии вз-ствия по сравнению с тепловой) автоматически выполняется в разреженных плазмах за счёт малости n ; в глубинных частях нормальных звёзд — за счёт того, что тепловая энергия достаточно велика; в компактных вырожденных объектах — за счёт кинетич. Ферми энергии.
Шкала темп-р К. п. простирается от долей эВ в К. п. межзвёздной и межгалактич. сред до релятив. и ультрарелятив. темп-р в магнитосфе-
pax пульсаров — быстро вращающихся намагниченных нейтронных звёзд. На рис. схематически показано разнообразие видов К. п. и их примерное расположение на диаграмме темп-pa — плотность.
К. п. удалённых объектов исследуется дистанц. спектральными методами с помощью оптич. телескопов, радиотелескопов, а в последнее время и в рентгеновском и -излучениях с помощью внеатмосферных спутниковых телескопов. В пределах солн. системы быстро расширяется диапазон прямых измерений параметров К. п. с помощью приборов на спутниках и косм. аппаратах. Т. о. были обнаружены магнитосферы планет от Меркурия до Сатурна. Методы прямых измерений К. п. включают в себя использование зондовых, спектрометрических измерений и т. д. (см. Диагностика плазмы).
Арцимович Л. А., Сагдеев Р. З., Физика плазмы для физиков, М., 1979; Пикельнер С. Б., Основы космической электродинамики, 2 изд., М., 1966; Акасофу С. И., Чепмен С., Солнечно-земная физика, пер. с англ., ч. 1—2,-М., 1974 — 75.
Р. З. Сагдеев.
Cтраница 1
Космическая плазма может находиться и в спокойном, и в турбулентном состоянии. Последнее появляется тогда, когда плазма оказывается под сильным внешним нестационарным воздействием. В космосе такие процессы происходят часто.
В космической плазме чаще всего ионами являются протоны.
В космической плазме имеют место те или иные гидродинамические движения, энергия которых не мала. Вот они-то и обнадеживают как возможный источник усиления магнитных полей. Такой механизм обычно называют механизмом динамо. При этом говорят об усилении потому, что любая макроскопическая теория с определенной проводимостью симметрична относительно замены Е, Н - - - Е, - Н при сохранении поля скорости и сил, решение с Е - Н - 0 существует, для создания поля нужно ввести взаимодействие.
В космической плазме частоты столкновений настолько малы, что более адекватным является бесстолкновительное кинетическое описание плазмы.
Большинство теоретических исследований космической плазмы было посвящено изучению однородной плазмы. Однако наблюдения показывают, что в большинстве случаев космическая плазма сильно неоднородна. В ионосфере часто наблюдается мелкомасштабная структура, наиболее четко выраженная во время полярных сияний. Лучи полярного сияния часто очень тонки, и степень ионизации, а следовательно, и проводимость могут меняться на два или три порядка в пределах нескольких километров и менее. Как показало изучение распространения свистящих атмосфериков, магнитосфера, по-видимому, также имеет волокнистую структуру. Солнечная атмосфера также имеет лучистое строение. Ближе к поверхности Солнца наблюдаются протуберанцы, которые обычно имеют волокнистую структуру. Хромосферу иногда представляют в виде нитевидного сплетения небольших протуберанцев. Волокнистая структура часто бывает заметна в газовых туманностях. Итак, плазма средней плотности (а возможно, также и плазма низкой плотности), по-видимому, нередко сильно неоднородна и проявляет волокнистую структуру, элементы которой параллельны магнитному полю. Таким образом, представляется важным рассмотреть механизмы, которые могут создавать подобную структуру. Этому вопросу посвящен разд.
Учитывая, что в космической плазме осуществляется очень широкий спектр всевозможных значений параметров - индукции магнитного поля В0, плотности я, температур Те, Th электрического поля Е, более подробно остановимся на эффектах, связанных с наличием магнитного поля, и на критериях применимости формул для ионно-звуковой неустойчивости и аномального сопротивления, обсуждаемых нами.
Исследования аномального сопротивления в космической плазме, наоборот, дадут возможность изучить, как осуществляются эти крупномасштабные процессы во времени. Таким образом, можно ожидать, что магнитосферные исследования проблемы аномального сопротивления и двойных слоев приведут к более полному пониманию многих вопросов в физике турбулентной плазмы и, далее, к применению полученных результатов при решении проблем физики Солнца и в астрофизике.
МГД течения характерны прежде всего для космической плазмы.
Как показывает табл. 3.2, для космической плазмы условие (17) в большинстве случаев хорошо выполняется.
Условие N k Nkl применительно к космической плазме кажется достаточно жестким. Ведь мощное элек тромагнитное излучение, для которого может потребоваться учет нелинейности, само турбулизирует плазму благодаря тем же распадным процессам. Если нелинейность существенно влияет на интенсивность электромагнитного излучения, то это означает одновременно и то, что значительная часть его энергии передается плазменным волнам [ см. (4.56) 1, а поскольку энергия одной плазменной волны много меньше энергии электромагнитной волны, то отсюда следует N kl Nk - Возможны, однако, случаи, когда плазменные волны интенсивно поглощаются, и поэтому уровень их энергии остается низким. Во всяком случае проблема нелинейного переноса электромагнитных волн в плазме, по-видимому, не может быть отделена от исследования возбуждения плазменной турбулентности и взаимодействия излучения с ней, в частности, рассеяния и увеличения частоты.
Основное внимание в этой книге было уделено высокоэнергичной компоненте космической плазмы (КЛ), но краткое обсуждение свойств тепловой межпланетной плазмы также было дано в гл. Поэтому книга дает некоторое представление не только о КЛ, но также и о других динамических процессах в межпланетной среде. Автор надеется, что ему хотя бы в некоторой степени удалось отразить, а читатель сумел почувствовать красоту и многообразие многочисленных физических задач, возникающих перед исследователем в этой молодой и стремительно развивающейся области физики. Многие задачи уже решены, и общие представления выработаны Но немало проблем и еще больше частных задач ждет своего решения, причем их число нарастает по мере развития исследований.
Только у альвеновских волн эффект излучения релятивистскими частицами в космической плазме может быть заметен.
Имеется еще и другая возможность объяснить высокое эффективное аномальное сопротивление в космической плазме, а именно влиянием на эффективное сопротивление гидромагнитных флюктуации. В то же время представляет интерес попытаться не задавать подобные характеристики, а получить их исходя из данных измерений флюктуирующих электромагнитных полей на ИСЗ.
Следует ожидать такую последовательность развития событий для токовых слоев в астрофизической или космической плазме, которые имеют размеры больше длины волны наиболее неустойчивой моды и большие числа Рейнольдса. Во-первых, токовый слой разрывается в линейном режиме на длине волны 4 5 / Ят наиболее быстро растущей моды. Затем первичное слияние объединяет соседние острова.
В область применений магнитной гидродинамики входят очень разнообразные физические объекты-от жидких металлов до космической плазмы.
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.
