Михаил Гущин, кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией моделирования геофизических плазменных явлений ИПФ РАН
Когда говорят про плазму, часто используют понятие «четвертого состояния вещества». Плазма – это полностью либо частично ионизированный газ, то есть такой газ, в котором содержится достаточно большое число свободных заряженных частиц, электронов и ионов, при этом суммарный заряд электронов и ионов плазмы должен быть равен нулю. Последнее свойство – так называемая «квазинейтральность» – очень важно для того, чтобы плазму можно было считать плазмой. Основное отличие плазмы от обычного газового - «третьего» - состояния вещества состоит в том, что она в состоянии проводить электрический ток, реагирует на электрические и магнитные поля и, более того, сама в состоянии генерировать как постоянные поля, так и электромагнитное излучение в необычайно широкой полосе частот - от длинных радиоволн до ультрафиолета и рентгена.
В нормальных земных условиях плазма является, в некотором смысле, экзотическим состоянием вещества, требующим для создания и поддержания специальной техники и больших энергетических затрат. Причинами этого являются холодная и плотная атмосфера Земли, а также крайне низкий уровень интенсивности ионизирующих излучений. Как ни странно, именно те факторы, которые способствуют существованию жизни на Земле, для плазмы являются губительными.
Для создания плазмы в науке и промышленности применяются различные электрические разряды, реакции интенсивного горения и даже взрывы. В то же время за пределами земной атмосферы – в космосе – состояние плазмы является для вещества совершенно естественным. В видимой вселенной до 99% вещества находится в состоянии плазмы, в основном – в звездах (включая и Солнце), но также в разреженной межзвездной и межгалактической среде. У Земли тоже есть «собственная» плазма. Во-первых, это – ионосфера, ионизированные верхние слои атмосферы, которые обеспечивают существование дальней радиосвязи за счет способности отражать длинные, средние и короткие радиоволны. Во-вторых, это – магнитосферная плазма, электроны и ионы, захваченные магнитным полем Земли в своеобразный «мешок», включая и энергичные частицы, образующие так называемые «радиационные пояса». Частицы радиационных поясов представляют угрозу для нормального функционирования электроники космических аппаратов, а также могут формировать электромагнитное излучение весьма необычных спектральных форм, регистрируемое в том числе и на поверхности Земли, которое может создавать весьма необычные помехи радиосвязи. В-третьих, в плотных атмосферах планет может развиваться комплекс явлений атмосферного электричества, приводящий к появлению мощных электрических разрядов, таких как молния. Молниевые разряды обнаружены и исследуются не только на Земле, но и на Марсе, Юпитере, Сатурне и, возможно, Венере. Все эти плазменные объекты и явления: звезды, солнечные вспышки, ионизированные оболочки планет, потоки заряженных частиц и электромагнитного излучения, атмосферные электрические разряды - активно изучаются в рамках такого научного направления, как физика космической плазмы.
В целом космическая плазма находится достаточно далеко от ученых и инженеров, которым с самого начала развития исследований стало не хватать чисто наземных наблюдательных данных. В то же время любые вмешательства в природу естественных плазменных явлений предполагают либо запуск космической техники, либо применение наземных радиоустановок исключительно высокой мощности, таких как хорошо известная американская установка HAARP или находящийся в Нижегородской области стенд для нагрева ионосферы «Сура». Это – натурные исследования, включающие как пассивные измерения с помощью научных космических аппаратов на различных орбитах, так и «активные» эксперименты, связанные с инжекцией в космическое пространство заряженных частиц, плазмы, радиоволн. В подобных исследованиях применяется исключительно дорогостоящая техника, при этом осуществляются они в практически неконтролируемых внешних условиях. Природа сама определяет, какими будут параметры ионосферной или солнечной плазмы в выбранный для натурного исследования момент времени. Термин «космическая погода», описывающий фактически состояние плазмы в околоземном космическом пространстве, сегодня используется исключительно широко. Повышение надежности прогноза космической погоды – одна из прикладных задач физики космической плазмы, которая еще находится в процессе решения.
Лабораторное моделирование физических явлений в космической плазме – один из перспективных путей решения указанных проблем. Инструментарий лабораторной плазмы хорошо развит с середины прошлого столетия, на которую пришлись интенсивные работы по управляемому термоядерному синтезу. Сегодня в руках экспериментаторов обширный арсенал хорошо зарекомендовавших себя методов и приборов, и, главное, они в состоянии управлять параметрами лабораторной плазмы, многократно воспроизводя исследуемое явление, целенаправленно варьируя условия его протекания.
Попытки лабораторного моделирования плазменных явлений в космосе предпринимаются учеными на протяжении более 100 лет: началом данной деятельности принято считать эксперименты К. Биркеланда с моделью магнитосферы Земли - «тереллой», в которых ему удалось показать природу полярных сияний и продемонстрировать формирование их пространственной структуры. Однако, поскольку характерные значения физических величин в космической и лабораторной плазме отличаются на много порядков величины, прямое сопоставление получаемых в космосе и в лаборатории результатов не только сопряжено с трудностями, но зачастую не имеет и смысла. Надежная методическая основа для сопоставления космических и лабораторных плазменных явлений была заложена в середине прошлого столетия в работах Х. Альфвена, впервые поставившего проблему выбора правил подобия различных плазм, а также предложившего базовую систему преобразований подобия, основанную на равенстве скоростей и энергий частиц плазмы. Развитие данной концепции привело к созданию, начиная с 1970-х годов, специализированных лабораторных установок для моделирования космических плазменных явлений во многих странах мира, в первую очередь – в СССР и в США.
Сегодня лабораторное моделирование плазменных явлений в космосе переживает своеобразный «ренессанс». Во-первых, современные средства наблюдательной физики, включая космические аппараты и астрономические инструменты, позволяют получать данные большого объема и недостижимого прежде качества. Это дает обширную базу для сопоставления лабораторных и теоретических результатов с натурными измерениями. Во-вторых, современные лабораторные плазменные установки технологически совершенны и хорошо оснащены средствами осциллографии, быстрой фото- и видеосъемки, электроразрядными и лазерными источниками плазмы. В-третьих, современные вычислительные возможности (в том числе использование суперкомпьютеров) допускают применение теоретических моделей плазмы с исключительно высоким пространственно-временным разрешением. Основной концепцией сегодня становится возможность верификации разрабатываемых моделей на высококачественных лабораторных данных, получаемых в целенаправленных экспериментальных исследованиях, и их последующее применение к астро- и геофизическим явлениям.
В Нижнем Новгороде в Институте прикладной физики Российской академии наук создан и активно используется комплекс уникальных экспериментальных установок для моделирования космической и геофизической плазмы – стенд «Крот». Основной комплекса является плазменная камера рекордно большого объема – 170 кубических метров, в которой могут воспроизводиться самые разные космические плазменные явления: распространение мощных радиоволн в ионосфере, генерация электромагнитного излучения потоками энергичных частиц в планетарной магнитосфере, струйные выбросы плазмы на Солнце и звездах, включая астрофизические джеты. Чтобы создать уменьшенные модели космической плазмы, ученые используют высокочастотные и импульсные высоковольтные разряды, а также пучок лазера, фокусируемый на мишени. Кроме того, большие размеры плазменной камеры позволяют непосредственно проверять характеристики макетов приборов, которые планируется использовать в экспериментах на борту космических аппаратов, при наличии фоновой ионизации. Генератор импульсных напряжений уровня одного миллиона вольт, входящий в состав комплекса «Крот», позволяет создавать уменьшенную до длины в 1 – 2 метра лабораторную модель молниевого разряда, длинную искру. На такой искре отрабатывается аппаратура для исследований реальной молнии, детально изучаются тонкие физические эффекты, которые трудно зарегистрировать на реальном атмосферном разряде.
#мининский #mininuniver #десятилетиенауки #МинобрнаукиРоссии #популяризациянауки
