Как ионизированный газ стал основой всей видимой Вселенной?

Плазма официально признана четвертым агрегатным состоянием вещества, идущим за твердым, жидким и газообразным состояниями. Это состояние характеризуется полной или частичной ионизацией, когда от атомов отделяется по крайней мере один электрон. В результате образуется смесь из свободных электронов и положительно заряженных ионов. Несмотря на наличие большого количества свободных зарядов, плазма остается квазинейтральной, поскольку общий электрический заряд системы практически равен нулю. Первые шаги в открытии этого состояния сделал Уильям Крукс в 1879 году, а современное название предложил Ирвинг Ленгмюр через несколько десятилетий, пишет 24 Канал.

Одной из ключевых особенностей плазмы является ее способность отлично проводить электрический ток. Из-за этого она становится чрезвычайно чувствительной к воздействию электромагнитных полей, что позволяет управлять ее потоками с помощью внешних источников. В отличие от обычного газа, где частицы взаимодействуют лишь во время редких столкновений, в плазме господствуют коллективные эффекты. Это означает, что изменение положения одной заряженной частицы мгновенно влияет на поведение огромного количества других через далеко идущее кулоновское взаимодействие.

Магнитное поле может легко проникать в плазму, изменяя характер ее колебаний и создавая сложные структуры. Изучение плазмы требует применения уравнений магнитогидродинамики, которые объединяют механику жидкостей и электромагнетизм.

Плазма в космосе

В масштабах космоса плазма является наиболее распространенным состоянием материи, охватывая более 99,9 % всей видимой Вселенной. Звезды, включая наше Солнце, являются огромными шарами высокотемпературной плазмы, где энергия высвобождается благодаря термоядерным реакциям. Пространство между планетами и галактиками также не является пустым – оно заполнено чрезвычайно разреженным ионизированным веществом. Солнце постоянно выбрасывает потоки плазмы, известные как солнечный ветер, которые распространяются через всю Солнечную систему и могут вызвать магнитные бури на планетах.

Солнце выступает лучшей природной лабораторией для исследования плазменных процессов, особенно в условиях высокого магнитного числа Рейнольдса. В таких системах магнитное поле становится "вмороженным" в плазму и перемещается вместе с ней. Температура солнечной короны превышает миллион градусов, что значительно выше температуры поверхности светила и его "внутренностей", которая составляет сравнительно скромные несколько тысяч градусов. Это объясняется процессами в магнитных петлях, где возникают электрические токи из-за постоянных возмущений конвекцией под поверхностью звезды.

Где искать плазу на Земле?

На Земле плазма встречается гораздо чаще, чем может показаться на первый взгляд:

  • Молния во время грозы является типичным примером сильно ионизированного газа, где температура может достигать примерно 28 000 Кельвинов.
  • Другим ярким природным проявлением является полярное сияние, которое возникает на высоте от 60 до 100 километров. Это явление вызывается столкновением частиц солнечного ветра с молекулами различных газов в разреженных слоях атмосферы, что заставляет их излучать свет.
  • Кроме этого, плазменное состояние материи наблюдается в ионосфере Земли, в так называемых огнях святого Эльма (длительный электрический разряд, который возникает при большой напряженности электрического поля в атмосфере в виде сияющих пучков на острых концах предметов) и даже в обычном пламени.