Что такое огненная плазма
Огонь содержит плазму?
Ответ на этот вопрос сложнее, чем думает большинство людей. Некоторые виды пламени действительно содержат плазму, а некоторые нет. Чтобы правильно ответить на этот вопрос, мы действительно должны сначала четко определить, что мы подразумеваем под «плазмой».
Хрестоматийное определение плазмы — это ионизированный газ. «Ионизированный газ» означает, что некоторые электроны полностью оторваны от атомов, составляющих газ. Фактически свободные электроны заряжаются отрицательно, а образующиеся ионизированные атомы в конечном итоге заряжаются положительно.
Что значит действовать как плазма? Плазма — это ионизированный газ, который отражает низкочастотные электромагнитные волны, такие как радиоволны. Если описать на более простом уровне, плазма экранирует электрические поля. Плазма способна на это, потому что достаточное количество отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных ионов локально свободны и могут связываться друг с другом коллективным образом на большие расстояния.
Коллективное поведение ионов и электронов означает, что они могут сильно реагировать на падающие электрические поля и двигаться, чтобы нейтрализовать эти поля. Следовательно, более строгое определение плазмы — это газ, в котором имеется достаточно свободных электронов и ионов, чтобы они действовали коллективно. Расстояние, на которое внешнее электрическое поле может проникнуть в облако заряженных частиц, характеризуется «длиной Дебая». Чем больше атомов ионизировано, тем сильнее коллективные колебания зарядов и тем меньше длина Дебая. Таким образом, самое строгое определение плазмы — это ионизированный газ с достаточной ионизацией, так что длина Дебая значительно меньше ширины газового облака.
В пламени ионизация атомов воздуха происходит потому, что температура достаточно высока, чтобы атомы столкнулись друг с другом и оторвали электроны. Следовательно, в пламени степень ионизации зависит от температуры. (Другие механизмы могут привести к ионизации. Например, при молнии сильные электрические токи вызывают ионизацию. В ионосфере солнечный свет вызывает ионизацию.)
Суть в том, что пламя становится плазмой только в том случае, если оно достаточно нагревается. Пламя при более низких температурах не содержит достаточной ионизации, чтобы превратиться в плазму. С другой стороны, пламя с более высокой температурой действительно содержит достаточно свободных электронов и ионов, чтобы действовать как плазма.
Например, обычная восковая свеча имеет пламя, которое горит при максимальной температуре 1500 градусов по Цельсию, что слишком мало для образования очень большого количества ионов. Таким образом, пламя свечи — это не плазма. Обратите внимание, что яркие красно-оранжево-желтые цвета, которые мы видим в пламени, не созданы из пламени, являющегося плазмой. Скорее, эти цвета излучаются не полностью сгоревшими частицами топлива («сажей»), которые настолько горячие, что светятся.
Если вы закачаете достаточно кислорода в пламя, сгорание станет полным и красно-оранжево-желтое пламя исчезнет. Имея это в виду, должно быть ясно, что пламя свечи излучает свет, даже если это не плазма. В отличие от пламени свечи, некоторые горящие смеси ацетилена могут достигать температуры 3100 градусов Цельсия, с соответствующей длиной Дебая 0,01 миллиметра.
Таким образом, такое пламя является плазмой. Другое пламя, в том числе пламя костров, газовых печей и зажигалок, имеет температуру, которая находится где-то между этими двумя крайними значениями, и поэтому может быть плазмой, а может и не быть. Обычное пламя, например, от сжигания дерева, древесного угля, бензина, пропана или природного газа, обычно недостаточно горячее, чтобы действовать как плазма.
НАСА: Стена раскаленной плазмы окружает нашу солнечную систему
Наша солнечная система окружена гигантской стеной огня.
На самых дальних краях нашей солнечной системы находится барьер из очень горячей плазмы — гигантская огненная стена от Солнца, которая определяет границы межзвездного пространства.
Изображение, показывающее, где гелиопауза взаимодействует с межзвездной плазмой. NASA/Walt Feimer
Ученые только что измерили плазменный слой, который был создан и поддерживается солнечными ветрами, которые дуют от Солнца, образуя гигантский пузырь, согласно исследованию, опубликованному в этом месяце в журнале «Астрономия природы».
Согласно отчету Лаборатории реактивного движения НАСА, новое исследование предполагает, что Voyager 2, возможно, еще не находится в межзвездном пространстве, а скорее застрял в широкой переходной области, созданной из невероятно горячей, компактной плазмы, прямо за пределами внешних границ солнечной системы.
комментариев 57
Эта плазма настолько разряжена, что вы ее даже не заметите, если окажетесь в ней.
Михаил 23.11.2019 в 13:47 написал:
«Эта плазма настолько разряжена, что вы ее даже не заметите, если окажетесь в ней.»
* * *
Несмотря на высокое разрежение Voyager «почувствовал» высочайшую температуру.
И человек вряд ли не почувствует такой большой температурный скачок даже если там большое разрежение. Там, наверноно, в разрежениях между частицами «гуляют» инфракрасные (тепловые) лучи.
Поэтому к нам никто и не летает.
Потому что межзвездное пространство состоит из плазмы.
Не пробиться.
А мы живем в «пузыре» и дальше его не вылетим.
Никакого жара человек там не почувствует. Основной состав солнечного ветра это гелий и водород. Пусть это будет в основном тяжёлый гелий, тогда кубометр гелия при земном давлении и температуре 50000 К будет иметь энергию, достаточную, чтобы вскипятить почти 100 литров воды. Вроде много и смертельно, но уже при марсианском давлении в кубометре гелия будет энергии для кипячения лишь 700 граммов воды. Такое количество энергии взлослого человека сможет нагреть всего на полтора градуса! А уж если понизить давление хотя бы до давления в 100 км над землёй, то в одном кубометре гелия даже при температуре 50000 К будет количество энергии, которой не хватит для кипячения даже 1 (одного) грамма воды. Такую мелочь человек даже почувствовать не в состоянии.
Анекдот: Приходит пациент к доктору и говорит сосед каждую ночь жену имеет.
Врач: Скажи ему, что ты по 2 раза.
К чему это? Написали так, а кто проверит.
Ну как можно такую хрень публиковать?
«он зафиксировал температуру до 49 427 градусов по Цельсию. И хотя с космическим зондом все в порядке, плазменный экран может стать проблемой для НАСА, поскольку он приближается к межзвездной миссии»
«…а скорее застрял в широкой переходной области, созданной из невероятно горячей, компактной плазмы…» — широкая и компактная это как?
Наверное, там что-то отражает солнечные лучи или как-то фокусирует по типу призмы.
может это и есть ад?
Всё враньё-Земля стОит на трёх китах. или слонах. или ногах___ всё я запутался.
Он бы расплавился нафиг. Видимо тупо заглючил. Такая температура в космосе — это полный бред. Это может быть только в случае взаимодействия с каким то объектом, которого там нет. Даже черная дыра не может быть взята в расчет, т.к. тогда сигнал бы не дошел до нас и тепло бы из не смогло выходить.
Плазма это сильно ионизованная материя. Искусственный спутник движется с такой большой скоростью относительно этой плазмы, что моментально бы сгорел, если бы там было ощутимое количество материи. Температура это понятие, которое применим к плазме лишь условно. Говорить о температуре при плотности порядка несколько атомов на кубический метр можно с большой натяжкой. Вообще научность сообщения вызывает сомнения. Возле Земли плазмы нет, а на границе Солнечной системы скопилась, с чего бы это? Плотность материи такова, что данная плазма большого значения не имеет. Если даже один атом на кубический метр движется очень быстро, то обшивку он все равно не пробьет и нагреть тоже не сможет. Слишком мало материи. Ну обнаружили эффект, который никому не нужен пока, ну напустили важности, чтобы хоть кто нибудь заметил. А реально, все это пустая трата времени и денег.
Статья фейк. 50000 градусов. Зонд не рассчитан на такую темпиратуру
На Солнце нет такой температуры. А между Солнцем и Проксимой есть?
Все просто. Солнечный ветер сталкивается с аналогичным межзвездным ветром, и в месте столкновения образуется эффект коллайдера. Только выглядит как пузырь. Какие у нас температуры и энергии в коллайдере? Тут все то же самое только в космических масштабах. И все это в космосе разрежено на порядок сильнее, плотность потока частиц на много порядков ниже.
наверное это есть Рай
Возможно, снаружи это выглядит, как гигантская звезда, а внутри нашего Солнца тоже есть звезда со своей планетной системой… фрактал.
Когда наша россия предоставит доказательства полета Гагарина в космос? До сих пор не было ни одного доказательства представленно! Амермканцы 6 раз высаживались на луну, и везде есть видео, фото, заключения стран наблюдателей.
В индийских ведическиз знаниях уже тысячи лет назад написано, что вселенная окружена несколькими слоями. Один из слоёв состоит из огня. Может проще Веды почитать было, чем «открытия» совершать? «Бхагавад-гита как она есть» — суть ведической мудрости» например. Там всё о смысле жизни, о том зачем создана материальная вселенная и др. главные вопросы.
Читаю ваше комментарии и думаю какие же вы фантасты, ведь никто ничего не знает.
Ну, понятно, значит плотность среды, которая уже не принадлежит гелиосфере значительно ниже плотности солнечного ветра. Только я не думаю, что там проходит резкая граница плотности, скорее всего там всё проходит сглажено, так сглажено, что нужны очень чуткие приборы для определения границы гелиосферы. Это как определить границу дуновения ветра в пустыне — тут дует, а тут уже не дует. Вероятно, у космического аппарата NASA Voyager эти приборы есть.
Скорее всего, граница действительно сильно различается по плотности, радиации и температуре, но, как различается надо изучать и подтверждать опытным путем. Столько работы для будущих поколений, что голову поднять некогда будет!
Солнышко родное защищает свою систему солнечным ветром — электромагнитным полем
Думаю что у нашего мира всё таки границы определённые существуют. И когда мы всё таки поймём это, то поймём и для чего они существуют. А когда поймём и это, то успокоимся на верно к желанию освоения дальних миров.
49 тысяч градусов? Они серьёзно? О каком ещё Вояджере может идти речь при таких температурах, да он сам в плазму должен был превратиться… Чушь какая-то…
Ученные нам скорее всего врут о составе космоса, раз есть чему разогреваться до таких температур.
Далее Гелио-Сферы, точнее «Кокона Абацкого Острога» и Облачности Эрнста Эпика от 1932 года, температура — (минус) 272, 727272727… Градуса Цельсия или около 0 (нуля) градуса Кельвина.
Облачности ЭРНСТА ЭПИКА от 1932 года, преобразованные в Гелиевый Хрусталит «КОКОНОВ Абацкого Острога» от 2019 года, не только фокусируют на грани фаз «Кристалл»/Облачность ЭПИКА, тепловые излучения и фотонные Пакеты Эрвина Шрёдингера в центральную часть СИСТЕМЫ Солнечной, но и как вогнутые Лин3ы КОКОНА, фокусируют излучения Светила в его Термоядерную Топку, как вариант Принципа Сохранения Энергии.,
Там такая разряженная плазма,что может Гулливер гулять и кровавая баня в 45000 градусов ему нипочём!
Остается только упомянуть, насколько разрежена там та самая плазма ) один атом на куб км или ещё реже? Стеной назвать это сильное преувеличение.
хе…ню не слушайте а думайте кометы не плавятся и вояджерам не х..я не доспелось
Граждане, что вы хотите от НАСы?! Они в свое время 700 коробок утеряли с лунной программой.
Ошибка измерения. Реально температура очень низкая из за радиационного выхолаживания.
И никуда нам от Америки не деться.
Хорошо, что не сообразили оттуда фото прислать. А то Лунную миссию снимали в голливуде, марсианскую на канадском острове. По ракете Маска мыши в космосе ползают… Не хватает только фото солнечной системы с высоким разрешением за кучу триллионов километров…
Западная наука держится на системе грантов. Если ученый выдает какие-то результаты, он получает грант. Изучение космоса, физика-самые удобные( для получения гранта) науки. Заявил, что открыл на расстоянии 100 триллионов световых лет экзопланету-получи грант. Кто ж тебя проверит! Или открыл темную материю-получи. Наши ученые сейчас тоже идут этим путем, но еще стесняются заявлять что-нибудь этакое…
И как зонд выдерживает 50к градусов.
Народ совсем не стесняется показать свою необразованность. «Аппарат расплавится…» Даже не могут себе вообразить хотя бы на земных примерах, что плотность имеет значение при воздействии температуры. Вот сидит человек в бане при 70 градусах — и ничего! А опусти его в воду с такой же температурой — в момент сварится. Уж не говорю о сухих саунах, где запросто и 100 градусов может быть. А взять космос? Там намного разреженнее среда. Совсем думать разучились…
—На Солнце нет такой температуры. А между Солнцем и Проксимой есть? —
Да ты что.
Температура ядра Солнца около 15 млн градусов.
температура поверхности Солнца около 5 тысяч градусов.
температура солнечной короны около 1 млн градусов
— Граждане, что вы хотите от НАСы?! Они в свое время 700 коробок утеряли с лунной программой. —
Не с лунной программой, а с лунным грунтом)
Из какого материала состоит корпус Вояджера, если выдерживает такую температуру? Статья враньё.
Господя какое дебильное невежество, кичащееся своим дебилизмом……
Температура в физике это не только температура (теплота) для рецепторов человека.
Гуглить пробуйте хотя бы из любопытства, прежде чем писать.
ЧИТАЙТЕ ВИКИПЕДИЮ
И почувствуйте себя «знатоками», если конечно хоть что-то поймете
«В молекулярно-кинетической теории показывается, что температура пропорциональна средней кинетической энергии частиц системы.
Температура определяет:
— распределение частиц системы по уровням энергии (см. Статистика Максвелла — Больцмана),
— распределение частиц по скоростям (см. Распределение Максвелла),
— степень ионизации вещества (см. Уравнение Саха),
— спектральную плотность излучения (см. Формула Планка),
— полную объёмную плотность излучения (см. Закон Стефана — Больцмана) и т. д.
Температуру, входящую в качестве параметра в распределение Больцмана, часто называют температурой возбуждения, в распределение Максвелла — кинетической температурой, в формулу Саха — ионизационной температурой, в закон Стефана — Больцмана — радиационной температурой.
Для системы, находящейся в термодинамическом равновесии, все эти параметры равны друг другу, и их называют просто температурой системы[2].
В молекулярно-кинетической теории температура определяется как величина, характеризующая приходящуюся на одну степень свободы среднюю кинетическую энергию частиц макроскопической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия.
« … мерилом температуры является не само движение, а хаотичность этого движения. Хаотичность состояния тела определяет его температурное состояние, и эта идея (которая впервые была разработана Больцманом), что определённое температурное состояние тела вовсе не определяется энергией движения, но хаотичностью этого движения, и является тем новым понятием в описании температурных явлений, которым мы должны пользоваться…
П. Л. Капица[40]
»
Определение температуры в статистической физике
В статистической физике температура определяется как производная от энергии системы по её энтропии:
Что такое плазма? Для тех, кто не понимает физику
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
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.
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.
NASA: Стена из раскаленной плазмы окружает нашу Солнечную систему
Фото из открытых источников
В NASA заявили, что вокруг нашей Солнечной системы находится стена из раскаленной плазмы, которая отделяет ее от межзвездного пространства. Об этом сообщает информационное издание Nerdist.
Оказывается, когда исследовательский зонд Voyager 2 продолжил двигаться за пределы Солнечной системы, его датчики зафиксировали температуру, колеблющуюся от 49 до 427 градусов Цельсия. Ученые сообщают, несмотря на такие показатели с зондом пока все в порядке, однако этот барьер из плазмы ставит под угрозу его дальнейшую межзвездную миссию.
Фото из открытых источников
На изображении представлено взаимодействие гелиопаузы с межзвездной плазмой.
Выйдет ли Вояджер 2 за пределы Солнечной системы?
Обнаруженный исследовательским зондом NASA плазменный барьер создается солнечным ветром, который исходит от нашего светила. Поэтому ученые сделали вывод, что Voyager 2 все еще не вышел в межзвездное пространство, а застрял на переходном этапе, где температура окружающего пространства раскалилась до неожиданно высоких величин. Исследователям пока неизвестно, будет ли температура повышаться дальше и сможет ли зонд Voyager 2 ее выдержать.
Обнаруженная стена из горячей плазмы может искажать данные о космосе
Может оказаться так, что барьер из плазмы искажает данные об окружающем нас космическом пространстве и у нас имеется неверное представление о нем – его физических свойствах, включая расстояния до объектов или даже их размерах.
Данная ситуация говорит о том, что человечеству до сих пор неизвестно, что находится за пределами Солнечной системы и все планы по колонизации далеких планет могут оказаться под угрозой срыва. В любом случае ученым придется учесть данные обстоятельства.
Вездесущая плазма
Что такое четвертое состояние вещества, чем оно отличается от трех других и как заставить его служить человеку.
Полтораста лет назад почти все химики и многие физики считали, что материя состоит лишь из атомов и молекул, которые объединяются в более-менее упорядоченные или же совсем неупорядоченные комбинации. Мало кто сомневался, что все или почти все вещества способны существовать в трех разных фазах — твердой, жидкой и газообразной, которые они принимают в зависимости от внешних условий. Но гипотезы о возможности других состояний вещества уже высказывались.
Эту универсальную модель подтверждали и научные наблюдения, и тысячелетия опыта обыденной жизни. В конце концов, каждый знает, что вода при охлаждении превращается в лед, а при нагревании закипает и испаряется. Свинец и железо тоже можно перевести и в жидкость, и в газ, их надо лишь нагреть посильнее. С конца XVIII века исследователи замораживали газы в жидкости, и выглядело вполне правдоподобным, что любой сжиженный газ в принципе можно заставить затвердеть. В общем, простая и понятная картина трех состояний вещества вроде бы не требовала ни поправок, ни дополнений.
Ученые того времени немало удивились бы, узнав, что твердое, жидкое и газообразное состояния атомно-молекулярного вещества сохраняются лишь при относительно низких температурах, не превышающих 10000°, да и в этой зоне не исчерпывают всех возможных структур (пример — жидкие кристаллы). Нелегко было бы и поверить, что на их долю приходится не больше 0,01% от общей массы нынешней Вселенной. Сейчас-то мы знаем, что материя реализует себя во множестве экзотических форм. Некоторые из них (например, вырожденный электронный газ и нейтронное вещество) существуют лишь внутри сверхплотных космических тел (белых карликов и нейтронных звезд), а некоторые (такие как кварк-глюонная жидкость) родились и исчезли в краткий миг вскоре после Большого взрыва. Однако интересно, что предположение о существовании первого из состояний, выходящих за рамки классической триады, было высказано все в том же ХIХ столетии, причем в самом его начале. В предмет научного исследования оно превратилось много позже, в 1920-х. Тогда же и получило свое название — плазма.
Во второй половине 70-х годов XIX века член Лондонского королевского общества Уильям Крукс, весьма успешный метеоролог и химик (он открыл таллий и чрезвычайно точно определил его атомный вес), заинтересовался газовыми разрядами в вакуумных трубках. К тому времени было известно, что отрицательный электрод испускает эманацию неизвестной природы, которую немецкий физик Ойген Голдштейн в 1876 году назвал катодными лучами. После множества опытов Крукс решил, что эти лучи есть не что иное, как частицы газа, которые после столкновения с катодом приобрели отрицательный заряд и стали двигаться в направлении анода. Эти заряженные частицы он назвал «лучистой материей», radiant matter.
Следует признать, что в таком объяснении природы катодных лучей Крукс не был оригинален. Еще в 1871 году сходную гипотезу высказал крупный британский инженер-электротехник Кромвелл Флитвуд Варли, один из руководителей работ по прокладке первого трансатлантического телеграфного кабеля. Однако результаты экспериментов с катодными лучами привели Крукса к очень глубокой мысли: среда, в которой они распространяются, – это уже не газ, а нечто совершенно иное. 22 августа 1879 года на сессии Британской ассоциации в поддержку науки Крукс заявил, что разряды в разреженных газах «так непохожи на все происходящее в воздухе или любом газе при обычном давлении, что в этом случае мы имеем дело с веществом в четвертом состоянии, которое по свойствам отличается от обычного газа в такой же степени, что и газ от жидкости».
Нередко пишут, что именно Крукс первым додумался до четвертого состояния вещества. В действительности эта мысль гораздо раньше осенила Майкла Фарадея. В 1819 году, за 60 лет до Крукса, Фарадей предположил, что вещество может пребывать в твердом, жидком, газообразном и лучистом состояниях, radiant state of matter. В своем докладе Крукс прямо сказал, что пользуется терминами, заимствованными у Фарадея, но потомки об этом почему-то забыли. Однако фарадеевская идея была все-таки умозрительной гипотезой, а Крукс обосновал ее экспериментальными данными.
Катодные лучи интенсивно изучали и после Крукса. В 1895 году эти эксперименты привели Вильяма Рёнтгена к открытию нового вида электромагнитного излучения, а в начале ХХ века обернулись изобретением первых радиоламп. Но круксовская гипотеза четвертого состояния вещества не вызвала интереса у физиков — скорее всего потому, что в 1897 году Джозеф Джон Томсон доказал, что катодные лучи представляют собой не заряженные атомы газа, а очень легкие частицы, которые он назвал электронами. Это открытие, казалось, сделало гипотезу Крукса ненужной.
Однако она возродилась, как феникс из пепла. Во второй половине 1920-х будущий нобелевский лауреат по химии Ирвинг Ленгмюр, работавший в лаборатории корпорации General Electric, вплотную занялся исследованием газовых разрядов. Тогда уже знали, что в пространстве между анодом и катодом атомы газа теряют электроны и превращаются в положительно заряженные ионы. Осознав, что подобный газ имеет множество особых свойств, Ленгмюр решил наделить его собственным именем. По какой-то странной ассоциации он выбрал слово «плазма», которое до этого использовали лишь в минералогии (это еще одно название зеленого халцедона) и в биологии (жидкая основа крови, а также молочная сыворотка). В своем новом качестве термин «плазма» впервые появился в статье Ленгмюра «Колебания в ионизованных газах», опубликованной в 1928 году. Лет тридцать этим термином мало кто пользовался, но потом он прочно вошел в научный обиход.
Классическая плазма — это ионно-электронный газ, возможно, разбавленный нейтральными частицами (строго говоря, там всегда присутствуют фотоны, но при умеренных температурах их можно не учитывать). Если степень ионизации не слишком мала (как правило, вполне достаточно одного процента), этот газ демонстрирует множество специфических качеств, которыми не обладают обычные газы. Впрочем, можно изготовить плазму, в которой свободных электронов не будет вовсе, а их обязанности возьмут на себя отрицательные ионы.
Для простоты рассмотрим лишь электронно-ионную плазму. Ее частицы притягиваются или отталкиваются в соответствии с законом Кулона, причем это взаимодействие проявляется на больших расстояниях. Именно этим они отличаются от атомов и молекул нейтрального газа, которые чувствуют друг друга лишь на очень малых дистанциях. Поскольку плазменные частицы пребывают в свободном полете, они легко смещаются под действием электрических сил. Для того чтобы плазма находилась в состоянии равновесия, необходимо, чтобы пространственные заряды электронов и ионов полностью компенсировали друг друга. Если это условие не выполняется, в плазме возникают электрические токи, которые восстанавливают равновесие (например, если в какой-то области образуется избыток положительных ионов, туда мгновенно устремятся электроны). Поэтому в равновесной плазме плотности частиц разных знаков практически одинаковы. Это важнейшее свойство называется квазинейтральностью.
Практически всегда атомы или молекулы обычного газа участвуют только в парных взаимодействиях — сталкиваются друг с другом и разлетаются в стороны. Иное дело плазма. Поскольку ее частицы связаны дальнодействующими кулоновскими силами, каждая из них находится в поле ближних и дальних соседей. Это означает, что взаимодействие между частицами плазмы не парное, а множественное — как говорят физики, коллективное. Отсюда следует стандартное определение плазмы — квазинейтральная система большого числа разноименных заряженных частиц, демонстрирующих коллективное поведение.
Плазма отличается от нейтрального газа и реакцией на внешние электрические и магнитные поля (обычный газ их практически не замечает). Частицы плазмы, напротив, чувствуют сколь угодно слабые поля и немедленно приходят в движение, порождая объемные заряды и электрические токи. Еще одна важнейшая особенность равновесной плазмы — зарядовое экранирование. Возьмем частицу плазмы, скажем, положительный ион. Он притягивает электроны, которые формируют облако отрицательного заряда. Поле такого иона ведет себя в соответствии с законом Кулона лишь в его окрестности, а на расстояниях, превышающих определенную критическую величину, очень быстро стремится к нулю. Этот параметр называется дебаевским радиусом экранирования — в честь голландского физика Питера Дебая, который описал этот механизм в 1923 году.
Легко понять, что плазма сохраняет квазинейтральность, лишь если ее линейные размеры по всем измерениям сильно превышают дебаевский радиус. Стоит отметить, что этот параметр возрастает при нагреве плазмы и падает по мере увеличения ее плотности. В плазме газовых разрядов по порядку величины он равен 0,1 мм, в земной ионосфере — 1 мм, в солнечном ядре — 0,01 нм.
В наши дни плазма используется в великом множестве технологий. Одни из них известны каждому (газосветные лампы, плазменные дисплеи), другие представляют интерес для узких специалистов (производство сверхпрочных защитных пленочных покрытий, изготовление микрочипов, дезинфекция). Однако наибольшие надежды на плазму возлагают в связи с работами по осуществлению управляемых термоядерных реакций. Это и понятно. Чтобы ядра водорода слились в ядра гелия, их надо сблизить на расстояние порядка одной стомиллиардной доли сантиметра — а там уже заработают ядерные силы. Такое сближение возможно лишь при температурах в десятки и сотни миллионов градусов — в этом случае кинетической энергии положительно заряженных ядер хватит для преодоления электростатического отталкивания. Поэтому для управляемого термоядерного синтеза необходима высокотемпературная водородная плазма.
Правда, плазма на основе обычного водорода здесь не поможет. Такие реакции происходят в недрах звезд, но для земной энергетики они бесполезны, поскольку слишком мала интенсивность энерговыделения. Лучше всего использовать плазму из смеси тяжелых изотопов водорода дейтерия и трития в пропорции 1:1 (чисто дейтериевая плазма тоже приемлема, хотя даст меньше энергии и потребует более высоких температур для поджига).
Однако для запуска реакции одного нагрева маловато. Во-первых, плазма обязана быть достаточно плотной; во-вторых, попавшие в зону реакции частицы не должны покидать ее слишком быстро — иначе потеря энергии превысит ее выделение. Эти требования можно представить в виде критерия, который в 1955 году предложил английский физик Джон Лоусон. В соответствии с этой формулой произведение плотности плазмы на среднее время удержания частиц должно быть выше некоторой величины, определяемой температурой, составом термоядерного топлива и ожидаемым коэффициентом полезного действия реактора.
Легко увидеть, что существуют два пути выполнения критерия Лоусона. Можно сократить время удержания до наносекунд за счет сжатия плазмы, скажем, до 100–200 г/см 3 (поскольку плазма при этом не успевает разлететься, этот метод удержания называют инерционным). Физики отрабатывают эту стратегию с середины 1960-х годов; сейчас ее наиболее совершенной версией занимается Ливерморская национальная лаборатория. В этом году там начнут эксперименты по компрессии миниатюрных капсул из бериллия (диаметр 1,8 мм), заполненных дейтериево-тритиевой смесью, с помощью 192 ультрафиолетовых лазерных пучков. Руководители проекта полагают, что не позднее 2012 года они смогут не только поджечь термоядерную реакцию, но и получить положительный выход энергии. Возможно, аналогичная программа в рамках проекта HiPER (High Power Laser Energy Research) в ближайшие годы будет запущена и в Европе. Однако даже если эксперименты в Ливерморе полностью оправдают возлагаемые на них ожидания, дистанция до создания настоящего термоядерного реактора с инерционным удержанием плазмы все равно останется очень большой. Дело в том, что для создания прототипа электростанции необходима очень скорострельная система сверхмощных лазеров. Она должна обеспечить такую частоту вспышек, зажигающих дейтериево-тритиевые мишени, которая в тысячи раз превысит возможности ливерморской системы, делающей не более 5–10 выстрелов в секунду. Сейчас активно обсуждаются различные возможности создания таких лазерных пушек, но до их практической реализации еще очень далеко.
Альтернативно можно работать с разреженной плазмой (плотностью в нанограммы на кубический сантиметр), удерживая ее в зоне реакции не менее нескольких секунд. В таких экспериментах вот уже более полувека применяют различные магнитные ловушки, которые удерживают плазму в заданном объеме за счет наложения нескольких магнитных полей. Самыми перспективными считают токамаки — замкнутые магнитные ловушки в форме тора, впервые предложенные А. Д. Сахаровым и И. Е. Таммом в 1950 году. В настоящее время в различных странах работает с дюжину таких установок, крупнейшие из которых позволили приблизиться к выполнению критерия Лоусона. Международный экспериментальный термоядерный реактор, знаменитый ITER, который построят в поселке Кадараш неподалеку от французского города Экс-ан-Прованс, — тоже токамак. Если все пойдет по плану, ITER позволит впервые получить плазму, удовлетворяющую лоусоновскому критерию, и поджечь в ней термоядерную реакцию.
«За последние два десятка лет мы добились огромного прогресса в понимании процессов, которые происходят внутри магнитных плазменных ловушек, в частности — токамаков. В целом мы уже знаем, как движутся частицы плазмы, как возникают неустойчивые состояния плазменных потоков и до какой степени увеличивать давление плазмы, чтобы ее все-таки можно было удержать магнитным полем. Были также созданы новые высокоточные методы плазменной диагностики, то есть измерения различных параметров плазмы, — рассказал «ПМ» профессор ядерной физики и ядерных технологий Массачусетского технологического института Йен Хатчинсон, который свыше 30 лет занимается токамаками. — К настоящему времени в крупнейших токамаках достигнуты мощности выделения тепловой энергии в дейтериево-тритиевой плазме порядка 10 мегаватт на протяжении одной-двух секунд. ITER превзойдет эти показатели на пару порядков. Если мы не ошибаемся в расчетах, он сможет выдавать не менее 500 мегаватт в течение нескольких минут. Если уж совсем повезет, энергия будет генерироваться вообще без ограничения времени, в стабильном режиме».
Волны в плазме
Коллективный характер внутриплазменных явлений приводит к тому, что эта среда гораздо более склонна к возбуждению различных волн, нежели нейтральный газ. Простейшие из них изучали еще Ленгмюр с его коллегой Леви Тонксом (более того, анализ этих колебаний сильно укрепил Ленгмюра в мысли, что он имеет дело с новым состоянием вещества). Пусть в каком-то участке равновесной плазмы немного изменилась электронная плотность — иначе говоря, группа соседних электронов сдвинулась из прежнего положения. Тут же возникнут электрические силы, возвращающие удравшие электроны в начальную позицию, которую те по инерции чуть-чуть проскочат. В итоге появится очаг колебаний, которые станут распространяться по плазме в виде продольных волн (в очень холодной плазме они могут быть и стоячими). Эти волны так и называются — ленгмюровскими.
Открытые Ленгмюром колебания накладывают ограничение на частоту электромагнитных волн, которые могут проходить через плазму. Она должна превышать ленгмюровскую частоту, в противном случае электромагнитная волна затухнет в плазме или же отразится, как свет от зеркала. Это и происходит с радиоволнами с длиной волны свыше примерно 20 м, которые не проходят сквозь земную ионосферу.
В намагниченной плазме могут рождаться и поперечные волны. Впервые их существование в 1942 году предсказал шведский астрофизик Ханнес Альфвен (в эксперименте их обнаружили 17 годами позже). Альфвеновские волны распространяются вдоль силовых линий внешнего магнитного поля, которые вибрируют, как натянутые струны (плазменные частицы, ионы и электроны, смещаются перпендикулярно этим линиям). Интересно, что скорость таких волн определяется только плотностью плазмы и напряженностью магнитного поля, однако не зависит от частоты. Волны Альфвена исполняют немалую роль в космических плазменных процессах — считается, например, что именно они обеспечивают аномальный нагрев солнечной короны, которая в сотни раз горячее солнечной атмосферы. Им сродни и свистящие атмосферики, волновые хвосты грозовых разрядов, которые создают радиопомехи. В плазме возникают и волны более сложной структуры, обладающие как продольными, так и поперечными компонентами.
Профессор Хатчинсон также подчеркнул, что ученые сейчас хорошо понимают характер процессов, которые должны происходить внутри этого огромного токамака: «Мы даже знаем условия, при которых плазма подавляет свои собственные турбулентности, а это очень важно для управления работой реактора. Конечно, необходимо решить множество технических задач — в частности, завершить разработку материалов для внутренней облицовки камеры, способных выдержать интенсивную нейтронную бомбардировку. Но с точки зрения физики плазмы картина достаточно ясна — во всяком случае мы так считаем. ITER должен подтвердить, что мы не ошибаемся. Если все так и будет, придет черед и токамаку следующего поколения, который станет прототипом промышленных термоядерных реакторов. Но сейчас об этом говорить еще рано. А пока мы рассчитываем, что ITER начнет работать в конце этого десятилетия. Скорее всего, он сможет генерировать горячую плазму никак не раньше 2018 года — во всяком случае по нашим ожиданиям». Так что с точки зрения науки и техники у проекта ITER неплохие перспективы.
Плазменные чудеса
Использование плазмы позволяет решать задачи, которые еще не так давно решению не поддавались. Возьмем, к примеру, переработку угля или биомассы в горючий газ, богатый водородом. Немецкие химики научились этому еще в середине 30-х годов прошлого века, что позволило Германии во время Второй мировой войны создать мощную индустрию по выпуску синтетического горючего. Однако это чрезвычайно затратная технология, и в мирное время она неконкурентоспособна.
По словам Александра Фридмана, в настоящее время уже созданы установки для генерации мощных разрядов холодной плазмы, в которой температура ионов не превышает сотен градусов. Они дают возможность дешево и эффективно получать из угля и биомассы водород для синтетического горючего или же заправки топливных элементов. Причем установки эти достаточно компактны, чтобы их можно было разместить на автомобиле (на стоянке, например, для работы кондиционера не нужно будет включать двигатель — энергию дадут топливные элементы). Отлично работают и полупромышленные пилотные установки для переработки угля в синтез-газ с помощью холодной плазмы.
«В упомянутых процессах углерод рано или поздно окисляется до двуокиси и моноокиси, — продолжает профессор Фридман. — А вот лошади получают энергию, перерабатывая овес и сено в навоз и выделяя лишь небольшое количество углекислого газа. В их пищеварительной системе углерод окисляется не полностью, а лишь до субоксидов, в основном до С3О2. Эти вещества лежат в основе полимеров, из которых состоит навоз. Конечно, в этом процессе выделяется приблизительно на 20% меньше химической энергии, чем при полном окислении, но зато практически отсутствуют парниковые газы. В нашем институте мы сделали экспериментальную установку, которая с помощью холодной плазмы как раз и способна перерабатывать бензин в такой вот продукт. Это настолько впечатлило большого поклонника автомобилей — принца Монако Альберта II, что он заказал нам автомобиль с такой силовой установкой. Правда, пока только игрушечный, которому к тому же нужно дополнительное питание — батарейки для конвертера. Такая машинка будет ездить, выбрасывая что-то вроде катышков сухого помета. Правда, для работы конвертера нужна батарейка, которая сама по себе гоняла бы игрушку несколько быстрее, но ведь, как говорится, лиха беда начало. Я могу себе представить, что лет через десять появятся настоящие автомобили с плазменными конверторами бензина, которые будут ездить, не загрязняя атмосферу».
Одно из чрезвычайно перспективных применений холодной плазмы — в медицине. Давно известно, что холодная плазма порождает сильные окислители и поэтому отлично подходит для дезинфекции. Но для ее получения нужны напряжения в десятки киловольт, с ними лезть в человеческий организм опасно. Однако, если эти потенциалы генерируют токи небольшой силы, никакого вреда не будет. «Мы научились получать в холодной плазме очень слабые однородные разрядные токи под напряжением в 40 киловольт, — говорит профессор Фридман.– Оказалось, что такая плазма быстро заживляет раны и даже язвы. Сейчас этот эффект изучается десятками медицинских центров в различных странах. Уже выяснилось, что холодная плазма может превратиться в орудие борьбы с онкологическими заболеваниями — в частности, с опухолями кожи и мозга. Конечно, пока опыты производятся исключительно на животных, но в Германии и России уже получено разрешение на клинические испытания нового метода лечения, а в Голландии делают очень интересные эксперименты по плазменному лечению воспаления десен. Кроме того, около года назад мы смогли зажечь холодный разряд прямо в желудке живой мыши! При этом выяснилось, что он хорошо работает для лечения одной из тяжелейших патологий пищеварительного тракта — болезни Крона. Так что сейчас на наших глазах рождается плазменная медицина — совершенно новое медицинское направление».