Воздействие на геосферы Земли – причина изменения климата

9. Объемная плазма

Ионизация – это процесс, посредством которого из нейтральных атомов или молекул получаются положительные или отрицательные заряды. Газ, большинство частиц которого имеют электрический заряд, отличается от обычного газа. Он проявляет сходство с проводниками, электролитами и полупроводниками. Эти свойства являются следствиями электрических полей между заряженными частицами. Газам, ионизованным до высокой степени, И. Лэнгмюр дал особое название «плазма». Определение плазмы связано с представлением об ионизованном газе. Смеси газов, состоящие из противоположно заряженных компонент, у которых плотность заряженных частиц становится фактором взаимодействия этих частиц с электрическими и магнитными полями, в том числе и с внешними полями, представляет собой плазму [32].

Информация о работах по физике плазмы газового разряда ранее широко не освещалась. Она стала доступна научной общественности с 1958 г., после Женевской конференции по мирному использованию атомной энергии. Физика плазмы относится к проблеме многих тел. Основное взаимодействие – электромагнитное, хорошо изучено. Между заряженными частицами плазмы действуют электростатические силы. По теории, частицы газа с разноименными зарядами при встрече нейтрализуют друг друга. Статическая механика таких равновесных систем создана. Однако силы взаимодействия простираются на значительные расстояния [33], динамические свойства оказываются разнообразными, существует много типов коллективных движений.

Плазма называется газовой, если число таких частиц велико. По условию, плазма нейтральна и состоит из большого числа частиц двух сортов с зарядами +е и – е. Согласно теории, в объеме одной поверхности заключено равное количество положительных и отрицательных ионов. Плазма отличается от скопления просто заряженных частиц минимальной плотностью, определяемой из условия L > D, где L – линейный размер системы заряженных частиц, D – характерное для плазмы расстояние, называемое дебаевским радиусом экранирования [30. С. 505]:

rD = (kT/2πe2n)0,5,

где T – температура электронов, в кельвинах (К), k = 1,380662 эрг/К – постоянная Больцмана, e – заряд электрона, n – концентрация частиц одного знака заряда.

В теории Дебая – Хюккеля ион полностью ионизированного газа принимается за точечный заряд. Если приложить к плазменному объекту внешнее поле, то оно проникает на глубину порядка дебаевского радиуса. Чтобы плазма сохраняла квазинейтральность, ее линейные размеры должны намного превосходить дебаевский радиус (rD). Экранирование кулоновского поля произвольного заряда плазмы на расстояниях rD происходит в результате того, что данный заряд оказывается окруженным частицами с зарядами противоположного знака. Взаимодействие заряженных частиц друг с другом возрастает, когда плотность заряженных частиц растет.

Наиболее важными характеристиками плазмы являются плотность и температура заряженных частиц. Если среда представляет собой не полностью ионизованный газ и плотность заряженных частиц в газе очень мала, то ионы взаимодействуют, в основном, с нейтральными частицами. Большая электропроводность плазмы приближает ее свойства 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.