Часть 7: Межзвездная плазма. Электрический ток в плазме

Рисунок 19 Ток Биркеланда, протекающий через "пустое" межзвёздное пространство

Межзвездная плазма

До недавнего времени космос считался полностью пустым, идеальным вакуумом. Этой точки зрения всё ещё придерживаются в широких научных кругах, хотя это и не совсем верно. Космос не пустой. Он заполнен плазмой. Эта космическая плазма состоит главным образом из очень лёгких молекул: ионов гелия, водорода и электронов, и их концентрация составляет приблизительно одну (ионизированную) частицу на каждый кубический сантиметр. ^[43]Для сравнения, концентрация воздуха в атмосфере составляет приблизительно 10¹³ частиц на кубический сантиметр.

На рис. 19 изображён ток Биркеланда, пересекающий световые годы «пустого» космоса и демонстрирующий тем самым тот факт, что очень низкая концентрация космической плазмы не препятствует возникновению явлений электрической природы. Помните эксперимент Милликена и то, как электромагнитная сила, созданная одним единственным электроном, повлияла на большую часть окружающего его пространства? В космических масштабах электрические свойства плазмы позволяют электрическим токам течь между небесными телами, поскольку плазма является очень хорошим проводником. Это позволяет существовать электрическим взаимодействиям между поверхностью небесного тела и внешним слоем его двойной прослойки, а также взаимодействиям внутри неё.

Согласно Хэннесу Альфвену (Hannes Alfven) и Джеймсу Маккэнни (James McCanney), плазма в космосе электрически практически нейтральна или лишь немного позитивна. Однако в научных кругах имеются некоторые разногласия по поводу электрического заряда (полярности) солнечного ветра. В то время как официальная теория утверждает, что солнечный ветер электрически нейтрален, британский математик и геофизик Сидни Чепмен (Sydney Chapman) заявил ещё в 1930 г., что солнечный ветер состоит из положительно заряженной плазмы. Совсем недавно физик Луис Альварес (Luis Alvarez)[44] утверждал, что солнечный ветер проявляет, в общем, положительный электрический заряд. ^[45]Жан Мартен Менье[46] (Jean Martin Meunier) также утверждает, что солнечный ветер не является электрически нейтральным и объясняет это следующим образом:

Солнечный ветер как таковой имеет положительный заряд; он состоит из гораздо большего количества протонов h+, чем электронов. Почему? Потому что электроны выбрасываются в галактическое пространство ультрафиолетовым, гамма- и рентгеновским излучением Солнца со скоростью 10 000 - 300 000 км/с (эффект Комптона). Следствие: солнечный ветер (скоростью 300 - 900 км/с) является потоком протонов, стремящийся восполнить потерю электронов. ^[47]

Электрический ток в плазме

Помните плазменный шар и светящиеся нити, соединяющие центральный электрод и внешний пластиковый слой шара? Это типичный разряд плазменного тока. Но почему плазма принимает такую нитевидную форму? Чтобы понять этот феномен, мы должны вспомнить курс физики средней школы, а точнее, урок об электромагнетизме и о том, как электромагнитное поле генерируется электрическим током.

Рисунок 20 Магнитное поле, генерируемое электрическим током, текущим по проводу. © physick.wikispaces.com

На рис. 20 мы видим, что электрический ток (красные стрелки) в проводе (синего и желтого цвета) производит перпендикулярные ему магнитные витки (чёрные круговые стрелки). Подобным образом также и ток в плазме генерирует перпендикулярные ему магнитные витки. Однако, в отличие от твёрдого медного провода, плазма в большинстве случаев находится во флюидной форме. По этой причине магнитные витки придают плазмовым разрядам форму нитей (рис. 21). Таким образом, магнитное поле придает форму электрическому току, генерирующему это самое поле. С этой точки зрения, электрический ток в плазме создаёт магнитное поле, которое служит для его направления или «стягивания».[48] Другими словами, происходит сжатие проводящей электрической нити магнитными силами. Эти нитевидные плазменные токи также являются токами Биркеланда. ^[49]

Рисунок 21 Линии магнитного поля "стягивают" ток Биркеланда в длинную нить (пурпурный цилиндр)

Теперь, когда мы знаем, как ведёт себя единичная нить плазменного тока, или ток Биркеланда, давайте посмотрим, что происходит в случае двух расположенных рядом плазменных нитей, как показано на рис. 22. Поначалу магнитные поля, генерируемые каждой нитью, притягиваются друг к другу и стремятся к слиянию. Эти электромагнитные взаимодействия заставляют нити сближаться друг с другом (в верхней части рисунка). Затем вращающиеся магнитные поля заставляют нити обвиваться одна вокруг другой (в нижней части). Это называется плазменным вихрем.

Рисунок 22 Электромагнитное взаимодействие приводит к сближению и скручиванию пары спирально формирующихся нитей, также известное как "плазменный вихрь".© Thunderbolts.info

Заметьте, что сначала две нити притягиваются друг к другу магнитными силами, но как только они достаточно сблизились, образуется сила отталкивания, которая не даёт им сблизиться. В плазме происходит притяжение частиц друг к другу силой Лоренца (см. следующую главу), что приводит к её сжатию. Но затем сжатие прерывается увеличением давления газа в плазме. Притяжение и отталкивание действуют совместно, создавая очень стабильную структуру, в которой нити держатся на определенном расстоянии друг от друга. Они и не сливаются, и не разъединяются.

Запомните эти скрученные формы и вращающиеся движения, поскольку в дальнейших главах мы столкнёмся с многочисленными случаями их возникновения в природе (например, вихри, ураганы, формы галактик, хвосты комет, солнечные ветры, вращение звёзд и планет и т.д.). К примеру, Энтони Перрат (Anthony Peratt) ^[50]использовал эффект скручивания плазменных нитей, наблюдаемый в лабораторных условиях, для объяснения процесса формирования галактик (рис. 23).

Рисунок 23 Симуляция формирования галактики с помощью суперкомпьютера
Энтони Перратом, основывающаяся на взаимодействии заряженных частиц. © Peratt

* * *