Часть 3: Электрические свойства плазмы

Плазма имеет очень специфические физические свойства. Она не является ни изолятором (имеющим очень высокое сопротивление), подобно неионизированному газу, ни суперпроводником (не имеющего сопротивления вообще). Тем не менее, она имеет довольно хорошую проводимость, даже лучше, чем у меди и золота. Обычно электрическое сопротивление плазмы составляет около 30 Ом.[17] Для сравнения: типичный импеданс[18] меди варьируется в пределах от 300 до 600 Ом.[19]

Электрический ток, в т.ч. и ток плазмы, возникает между двумя телами, имеющими различные электрические заряды. В этом случае позитивно заряженное тело (принимающее электроны с целью балансирования заряда) называют «анодом», а негативно заряженное тело (отдающее электроны) — «катодом».

Рисунок 6 Плазменный шар, демонстрирующий разрядку
в газообразной плазме. Обычно шар наполняется неоном

Если разность потенциалов достаточно высока, расстояние между двумя электродами (анодом и катодом) достаточно мало и газ в среде достаточно плотен, то газ ионизируется (то есть разделение заряда высвобождает электроны). Затем начинается балансирование зарядов между двумя телами путем перехода электронов от катода к аноду, или позитивных ионов от анода к катоду (или обоими способами). Это очень распространённое явление. Например, его можно наблюдать в люминесцентных лампах и плазменных шарах.

В плазменных шарах плазменные нити (т.е. потоки электронов и позитивных ионов) тянутся от центрального электрода к стеклу — внешнему электроду — для того, чтобы сбалансировать разницу зарядов. Запомните этот пример, поскольку это очень хорошая аналогия того, что происходит в звёздном пространстве и даже в галактических масштабах.

Виды разрядов

Плазма проявляет различные виды разряда в зависимости от плотности проходящего через неё тока (ампер на квадратный метр). При слабом токе происходит «тёмный разряд», что означает отсутствие видимого излучения и света. Это то, что, например, происходит с тёмными астероидами, тёмными звёздами или в межзвёздном пространстве (как мы увидим в следующей главе при рассмотрении масштабируемости плазмы). Через плазму просто проходит очень слабый ток, чтобы заставить её светиться.

Когда плотность тока увеличивается, плазма начинает светиться. Это можно наблюдать в люминесцентных лампах, в кометах (т.е. светящихся астероидах) или в солнечной короне. Это называют «тлеющим разрядом».

При дальнейшем усилении электрического тока плазма приобретает форму «дугового разряда», выражающегося во внезапных и мощных электрические разрядах. Это то, что можно наблюдать в молниях или при дуговой сварке. Это также тот самый феномен, который мы наблюдали в упомянутом выше плазменном шаре. Ещё это может происходить в кометах, приводя к их взрывному свечению и/или разрушению, как это случилось с известной кометой Шумейкера-Леви[20] и другими кометами. На рисунке изображены три вида разрядов плазмы.

Рисунок 7 Сверху вниз: тёмный разряд (межзвёздное пространство),
тлеющий разряд (неоновый свет), дуговой разряд (электродуговая сварка)

Итак, плазма может проявлять три вида разрядов, в зависимости от плотности протекающего через неё тока.

Масштабируемость плазмы

Очень интересным свойством плазмы является её масштабируемость. Это означает, что плазма проявляет схожие характеристики вне зависимости от масштаба: как в лаборатории, так и в космосе. Фактически плазму можно наблюдать в широком диапазоне расстояний, а не только на атомарном уровне. Этот диапазон начинается на 10^-10 метрах в диаметре и доходит до галактического масштаба, который для нашего Млечного Пути составляет примерно 10²⁰ метров в диаметре.

Это означает, что плазма простирается в линейных размерах на 30 порядков. Она имеет схожие свойства во всем диапазоне (т.е. от 10^-10 до 10²⁰метров). Рисунок выше иллюстрирует это сходство между микроскопической плазмой (на атомарном уровне) и макроскопической плазмой (в масштабе Солнечной системы).

Рисунок 8 Иллюстрация аналогичного строения Солнечной системы и атома

Благодаря такой широкой масштабируемости космологи имеют возможность проводить наблюдения, формулировать гипотезы и, самое главное, проверять их в лабораториях (т.е. на микроскопическом уровне) и по методу аналогии применять их результаты к плазме, существующей в гораздо более крупном масштабе (космические феномены, например). С этой точки зрения, лабораторные эксперименты над плазмой, примененные к космическим феноменам, схожи с испытаниями самолётов или изучением естественного турбулентного потока в аэродинамической трубе на моделях меньшего масштаба с последующим применением результатов на реальных объектах.

Эта возможность проводить проверки позволяет выдвигать гипотезы и проверять теории в различных практических экспериментах, что является очень важным аспектом научного метода, как было сказано философом Карлом Поппером:

Критерием научного статуса теории является её фальсифицируемость, опровержимость, или проверяемость.

* * *

Часть 4: 'Изолирующий пузырь'

Помимо очень низкой электрической проводимости, плазма обладает другим свойством, а именно, способностью создавать своего рода «изолирующий пузырь» вокруг заряженных тел:

Ирвинг Ленгмюр обнаружил, что наиболее важным свойством плазмы является её способность электрически изолировать одну её часть от другой. Эта изолирующая стена состоит из двух близкорасположенных слоев, причем один слой заряжен позитивно, а другой негативно. Ленгмюр назвал это двойной оболочкой. Сегодня это называется двойной прослойкой (double layer).

Так как плазма является превосходным проводником, в ней не может происходить значительное падение напряжения, пока через неё протекает электрический ток. Если между двумя участками плазмы значительно падает электрическое напряжение, то между ними формируется двойная прослойка, сдерживающая большую часть электрического напряжения. Другими словами, самое сильное электрическое поле внутри плазмы находится в двойной прослойке. Плазма обладает почти магической способностью изолировать себя от внешних «незваных гостей». ^[21]

Заметьте, что если электрический потенциал космического тела уравновешивается с потенциалом окружающей его плазмы, то изолирующий пузырь исчезает. Это то, что произошло с нашей Луной, которая лишена изолирующего пузыря. ^[22]

На рис. 9 изображены заряженное тело (слева) и окружающая его двойная прослойка (справа). Эта двойная прослойка разделена на 3 части. Средняя часть занимает по объёму большую часть двойной прослойки. Электрический потенциал этого достаточно объёмного участка относительно постоянен и создаёт очень слабое электрическое поле. В результате этого электрический ток здесь достаточно ограничен, как и изолирующие свойства двойной прослойки. Разница потенциалов наблюдается по большей части на её внутреннем и внешнем краях, где двойная прослойка находится близко от заряженного тела (слева) и окружающего пространства/плазмы (справа).

Рисунок 9 Рис. 9: Изолирующий пузырь вокруг электрически заряженного тела. © sott.net

Двойная прослойка значительно ограничивает электрическую разрядку тела. Без двойной прослойки поверхность тела находилась бы в непосредственном контакте с окружающим пространством, имеющим намного более отличающийся электрический потенциал. Эта разница потенциалов привела бы к быстрой и полной разрядке тела. В этом ракурсе небесные тела можно сравнить со сферическими конденсаторами.

Конденсатор, ^[23]также известный как конденсер, представляет из себя просто два электрода, разделенных диэлектриком, т.е. изолирующим материалом. Этим изолирующим материалом может быть воздух, бумага, древесина, стекло и т.д. Если конденсатор подсоединен к источнику электрического тока, такому как, например батарея, то заряды медленно накапливаются в обоих электродах, и электрическое поле между ними возрастает. В этот момент электрический ток, протекающий между электродами, практически отсутствует. Когда электрическое поле достигает критической отметки (известной как «пробивное напряжение диэлектрика»), происходит электрическая разрядка, и сильный электрический ток начинает внезапно протекать между этими двумя электродами. После этого вновь начинается медленное накапливание электрического заряда.

Рисунок 10 Конденсатор 19-го века, состоящий из 2-х параллельных пластин.
Воздух между пластинами служит диэлектриком. © Wikimedia Commons

Тэйзер, или электрошокер, представляет из себя типичный пример применения конденсаторов: в течение нескольких секунд конденсатор заряжается 9-вольтовой батареей, после чего он может произвести очень короткую высоковольтную разрядку (вплоть до 150 000 вольт). ^[24]

Если мы представим себе заряженное небесное тело в роли конденсатора, то одним из электродов будет само небесное тело, а другим — внешний слой «изолирующего пузыря» (двойной прослойки). Диэлектриком (изолирующим материалом) такого конденсатора будет плазма внутри этой оболочки, также известная как плазмосфера. ^[25]

Солнце имеет свою собственную двойную оболочку — гелиосферу. Двойная оболочка Земли — это ионосфера. Все планеты Солнечной системы находятся внутри солнечной гелиосферы и одновременно окружены своими собственными изолирующими пузырями. На рис. 11 изображены двойная прослойка Земли (ионосфера), находящаяся внутри двойной прослойки Солнца (гелиосферы) и гелиопаузы (внешним слоем «пузыря» Солнца).

Хотя электрическая природа ионосферы Земли была признана много лет назад, только в 1994 году учёные, наконец-то, получили возможность наблюдать электрические свойства гелиосферы:

Войяджер-1 достиг «границы Солнечной системы» в декабре 2004 года; он находился на расстоянии, в 94 раза превышающее расстояние от Земли до Солнца. Учёные ожидали, что в этом регионе «сверхзвуковой солнечный ветер» должен внезапно замедлиться при встрече с межзвёздной средой на так называемой «границе ударной волны». Эта механическая аналогия сильно отличается от электрической модели, в которой Солнце рассматривается как «однополярный» корональный разряд. Т.е. Солнце формирует физический анод (позитивно заряженное тело), а плазма выполняет функцию катода (негативно заряженного тела). Высоковольтные линии электропередачи подвергаются похожей «корональной разрядке» в окружающий воздух, который формирует «виртуальный катод» (т.е. не объект, а электрически заряженную область).

В этой модели разница потенциалов между Солнцем и галактической средой, оцениваемая в десятки миллиардов вольт, сконцентрирована на границе виртуального катода с межзвёздным пространством. Таким образом, можно ожидать, что данные, полученные с Войяджера-1 будут аномальными с точки зрения магнитно-гидродинамической модели «ударной волны», в то время как они будут вписываться в электрическую модель. Согласно последней, Войяджер-1 вошел в «тёмную зону Фарадея» солнечной разрядки, где солнечное электрическое поле переполюсовывается. Это могло бы объяснить скопление протонов в солнечном ветре и постоянный рост аномального космического излучения из более далеких регионов космоса. ^[26]

Как мы видим на рис. 11, гелиосфера имеет не сферическую, а эллипсоидную форму. Это благодаря тому, что вся Солнечная система, включая гелиосферу, вращается вокруг центра нашей Галактики. Скорость движения Солнца относительно центра Млечного Пути оценивается в 220 км/с. ^[27] Сторона гелиосферы, обращенная в сторону центра Галактики, вокруг которой вращается Солнечная система, «сжата», ^[28] в то же самое время она вытянута в другом направлении.

Рисунок 11 Рис. 11: Изображение Земли и её изолирующего пузыря (ионосферы)
внутри гелиосферы (изолирующего пузыря Солнца). Масштаб не соблюдён. © Sott.net

В течение многих лет форма гелиосферы была спорной темой. Некоторые учёные утверждали, что гелиосфера должна иметь форму сферы с Солнцем в центре, в то время как сторонники плазменной космологии утверждали, что она должна иметь форму эллипсоида, подобно ионосфере Земли или кометной коме, так как в их основе лежат одни и те же электромагнитные феномены (вспомните масштабируемость плазмы). И только недавно научно-исследовательский спутник НАСА Interstellar Boundary Explorer подтвердил эллипсоидную форму гелиосферы[29] (см. рис 12).

Заметьте, что в отличие от Солнца и его планет, большинство лун в Солнечной системе, включая нашу Луну, не имеют двойную прослойку (т.е. собственную плазмосферу). Их электрический потенциал равен электрическому потенциалу окружающего космического пространства.

Рисунок 12 Изображение изолирующего "пузыря" Солнца, имеющего эллипсоидную форму. © NASA/IBEX

Однако из этого имеется как минимум одно исключение. Ганимед, спутник Юпитера и самая большая луна в Солнечной системе, таки показывает наличие плазмосферы ^[30] (т.е. двойной прослойки). Это можно объяснить тем, что Ганимед представляет собой электрически активное тело, недавно захваченное Юпитером — самой электрически активной планетой Солнечной системы — и теперь взаимодействующее с ним.

Рисунок 13 Спутник Юпитера Ганимед © NASA

* * *