Читать интересную книгу Воздействие на геосферы Земли – причина изменения климата - Михаил Стефанович Галисламов

к свойствам проводников. Сильное взаимодействие с внешними магнитными и электрическими полями обусловлено высокой электропроводностью плазмы. В природных условиях на Земле плазма появляется в пламени и, посредством поля, при грозовых разрядах; искусственная – создается при разрядах в газоразрядных лампах. Средняя кинетическая энергия электронов в газоразрядной плазме значительно превышает среднюю энергию нейтральных частиц плазмы. В плазме отсутствует термодинамическое равновесие. В газоразрядной плазме заряженные частицы, входящие в ее состав, непрерывно находятся в ускоряющем электрическом поле. Состояние термически неравновесной газоразрядной плазмы поддерживается ва счет энергии разрядного тока, проходящего через плазму [34].

Особое коллективное взаимодействие частиц, связанное с кулоновскими силами, позволяет рассматривать плазму как особое агрегатное состояние вещества. Эти свойства приводят к возможности возбуждения и распространения в плазме разнообразных колебаний и волн. С прекращением действия внешнего поля, с течением времени исчезает плазменное состояние газа. Исчезновение предоставленной самой себе плазмы называется деионизацией газа.

По мнению ученых, плазма – наиболее распространенное состояние вещества в космосе (звезды, межзвездная среда, ионосферы планет). Большое число природных плазменных космических объектов имеет температуру, которая превышает миллион градусов (100 эВ). Такую плазму называют высокотемпературной. Низкотемпературная плазма широко применяется в радиоэлектронных приборах, плазмотронах, газовых лазерах, других устройствах и в промышленных технологиях. Температура большинства земных и ряда космических объектов, не превышает десяти электрон-вольт [35]. Потенциалы ионизации и диссоциации атомов и молекул лежат между 2–20 эВ.

Электрический заряд, движущийся в атмосфере, образует вокруг себя магнитное поле. Масштабные плазменные структуры достигают в длину нескольких сотен километров. В объемном плазменном образовании (плазмоиде) сосредоточен мощный энергетический потенциал. Его заряд вносит сильное возмущение и изменяет первоначальную конфигурацию электрического и магнитного поля Земли в локальной области пространства. Стрелка компаса отклоняется от своего естественного географического направления.

Когда напряженность электрического поля между положительно заряженной стороной плазмоида и поверхностью земли достигнет критической величины, происходит электрический пробой. Энергия зарядов, накопленной в этой части плазменной структуры, преобразуется в тепловую, звуковую, ударную волну и световое излучение (молнию). Длина наземных молний может быть от 1 до 10 км, длина молний между облаками от 1 до 150 км [36]. Температура в канале разряда может колебаться от 5000 °C до 20000 °C.

10. Искусственно ионизованные области (ИИО)

Основы теории физики плазмы были заложены в начале XX века. В конце 40-х годов прошлого века Раземан и Ланг измеряли энергетическое распределение выходивших электронов. Пропуская моноэнергетический пучок электронов с энергией порядка нескольких кэВ через тонкую алюминиевую фольгу [G. Ruthemann, Ann. Phys. 2, 113 (1948); W. Lang, Optik 3, 233 (1948)], ученый заметил, что большая часть пучка проходила через фольгу без заметных потерь энергии. Но имелась группа электронов, терявших энергию приблизительно 15 эВ [37]. Если алюминий заменялся на другой металл, то наблюдалось то же самое явление, однако характеристические потери энергии менялись от металла к металлу. Оказалось, что часть электронов теряла определенное количество энергии на возбуждение продольных плазменных колебаний внутри металла на частоту ωр характеристической для каждого данного металла. Величина теряемой энергии равна электронному «кванту» энергии ћωр, где ћ – постоянная Планка. Этот квант назвали плазмоном. Теоретическая интерпретация эксперимента, данная Бомом и Пайнсом [D. Ρiηes and D. Воhm, Phys. Rev. 83, 221 (1951); 85, 338 (1952); D. Pines, Revs Mod. Phys. 28, 184 (1956)], положило начало исследованиям плазмы твердого тела. При определенных условиях внутри твердого тела возможно распространение медленных электромагнитных волн, начиная от звуковых, до частот радио и микроволнового диапазона. Природа обеспечила твердые тела (металлы, полуметаллы, полупроводники) почти свободными заряженными частицами.

Плазма непрозрачна для электромагнитных волн, частоты которых меньше плазменной. Проблема распространения волн проявляется и в физике твердого тела. В присутствии статического магнитного поля распространение поперечных электромагнитных волн через плазму твердого тела возникает много новых частот. Появляется такой параметр как угол между направлением распространения волны и магнитным полем. Для описания низкочастотных волн в плазме подходит модель возбуждения волн в заряженной струне, параллельно магнитному полю. Если силовая линия смещается поперек поля, то заряженные частицы вынуждены двигаться в нем подобно бусинкам, насаженным на тонкую струну [38].

В США, Англии и Советском Союзе в период с 1948 по 1958 г. широко проводились исследования плазмы. Особенностью поведения плазмы твердого тела является зависимость массы носителей от ориентации кристаллографических осей. Предполагаются различия между величинами масс подвижных носителей в газоразрядной и твердотельной плазме. В твердом теле электрон имеет эффективную массу m, определяемую периодическим потенциалом решетки. Она изменяется от материала к материалу, составляя от нескольких масс свободного электрона me до сотых долей me. Разнообразие твердых материалов позволяет иметь плазму с такими параметрами, которые невозможны в газе.

Теория описывает практику двух принципиальных способов воздействия на ионосферу – распыление в ней химических реагентов и «накачка» избранных участков сфокусированными пучками радиоволн, «возбуждение» атомов. Так можно создавать локальные, высоко ионизированные области ионосферы, которые располагаются вдоль магнитных силовых линий Земли на огромных расстояниях. Группа ученых Мюнхенского Института космической физики и астрофизики им. Макса Планка провела серию экспериментов с образованием искусственных облаков плазмы в космическом пространстве. Немецкие специалисты изучали их поведение, создавая видимые облака плазмы в магнитосфере Земли. Исследователи исходят из того, что поведение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях им известно. Если положительно заряженный ион или отрицательно заряженный электрон попадают в магнитное поле и компонента скорости перпендикулярна к этому полю, то частица начинает двигаться по окружностям вокруг силовых линий. Компонента скорости параллельная магнитному полю не меняется, движение по этому направлению остается неизменным. В случае произвольно направленной скорости заряженная частица движется по винтовой линии, ось которой совпадает с силовой линией поля.

Искусственной созданное облако плазмы позволяет непосредственно увидеть силовые линии поля Земли и движение по ним ионных частиц. В первых экспериментах, проведенных в 1963 г. ракеты поднимались на высоту от 90 до 120 миль (150–200 км). На каждой из запущенных ракет помещалось несколько килограммов стронция. Испарение стронция производилось путем химической реакции. Затем стронций выбрасывался в атмосферу. Появлялись облака только не ионизованного стронция. Следов ионизованного стронция не было обнаружено. Поэтому стали испытывать новые методы испарения более тяжелого щелочного металла – бария. В ноябре 1964 г. проведена серия экспериментов с использованием бария. Десять минут спустя после выпускания парообразного бария облако плазмы ионизованного бария делается видимым с Земли даже невооруженным глазом. Ионизованная часть бариевого облака претерпевает изменения и приобретает сигаровидную форму в отличие от сферического не ионизованного облака. По мнению ученых, существенное искажение сигарообразной формы впоследствии может произойти за счет влияния неоднородных электрических полей. В экспериментах с бариевыми облаками были обнаружены слоистости.