книги из ГПНТБ / Левитский С.М. Плазма служит человеку

телей. Советские ученые в этом вопросе намного опере­ дили своих зарубежных коллег: в то время как там ис­ следования не выходят пока за пределы лабораторных опытов, в СССР в конце 1964 г. была запущена первая автоматическая космическая станция «Зонд-2», обору­ дованная плазменными двигателями, которые осущест­ вляли ориентирование станции. Опыт полностью удался. Шесть небольших плазменных двигателей на протяже­ нии длительного времени поддерживали требуемое поло­ жение станции относительно Солнца.

Правда, из-за ограниченной мощности бортовых источников электроэнергии сила тяги плазменных дви­ гателей еще весьма невелика. Бороться с земным притя­ жением им не под силу, и они не смогли бы оторвать космический корабль от Земли. Но в «открытом» космо­ се их использование будет, по-видимому, весьма перспек­ тивным.

Кроме таких сравнительно «грубых» силовых функ­ ций, которые плазма выполняет в МГД-генераторах и реактивных двигателях, она способна и на осуществле­ ние очень «тонких» работ в технике сверхвысоких частот и ядерной физике.

Выше мы говорили о том, что в плазме могут одно­ временно сосуществовать обычный газ, состоящий из ней­ тральных атомов или молекул, и электронный «газ». Каждый из этих компонентов существует вполне само­ стоятельно, мало влияя на другой, и обладает всеми свойствами, присущими газу,— температурой, давлени­ ем и упругостью.

Известно, что в обычном газе, состоящем из ней­ тральных молекул, могут распространяться звуковые (акустические) волны, являющиеся волнами плотности этого газа. По аналогии в электронном газе также

39

должны существовать волны плотности, которые обычно называют электронно-акустическими, или плазменными, волнами.

Обладая рядом свойств, роднящих их с обычными звуковыми волнами, плазменные волны во многом от них отличаются. Во-первых, вследствие ничтожно малой мас­ сы электронов плотность электронного газа намного меньше плотности обычного газа. Во-вторых, упругость электронного газа обусловлена не механическими сила­ ми отталкивания частиц друг от друга, а электрически­ ми силами отталкивания одноименно заряженных элек­ тронов. Эти силы весьма велики и действуют на сравни­ тельно немалые расстояния. Поэтому электронный газ обладает большой «упругостью». Все это приводит к то­ му, что скорость движения плазменных волн весьма ве­ лика: она составляет обычно 108—109 см/сек, что на че­ тыре-пять порядков больше скорости акустических волн и лишь в несколько десятков раз меньше скорости све­ та. По этой же причине частоты плазменных волн оказываются весьма значительными и приходятся на область так называемого диапазона сверхвысоких частот, соответствующих 10®—1012 колебаниям в се­ кунду.

Тяжелые ионы не успевают двигаться с такой высо­ кой частотой и потому остаются практически неподвиж­ ными. Это приводит к третьему и самому главному отли­ чию плазменных волн от волн акустических. Плазменные волны, то есть волны электронного уплотнения и разре­ жения, движутся на ионном фоне неизменной плотности. В местах сгущения электронов создается избыточный от­ рицательный пространственный заряд, а в местах разре­ жения — положительный. Поскольку нескомпенсированные заряды порождают электрические поля, плазменная

40

волна сопровождается электрическим полем, которое пе­ ремещается вместе с ней (рис. 8).

Наличие у плазменной волны электрического поля дает ученым средство заставить волну взаимодейство­ вать с посторонними заряженными частицами, вводимы-

Электрическое поле д плазме

Плотность электроноб

- ----------------

Скорость дбижения. плазменной Полны

Рис. 8.

ми в плазму извне. Можно, например, заставить плаз­ менную волну ускорять эти частицы.

Уяснить принцип действия такого ускорителя помо­ гает следующая аналогия: у полинезийцев, живущих на Гавайских островах, существует особый вид спорта — гонки на досках в морском прибое. Человек, взяв корот­ кую доску, заплывает далеко в море. Там он взбира­ ется на доску и, стоя на ней, выжидает, когда окажется на скате морской волны, бегущей к берегу. Искусство спортсмена заключается в том, чтобы, балансируя на доске, удерживаться все время на скате волны и мчаться вместе с ней к берегу (рис. 9). Скорость волны по мере приближения к берегу возрастает, и удачливый спорт­

41

смен вылетает с разгона на песчаную отмель в брызгах и пене морского прибоя.

На таком же принципе работают и некоторые виды ускорителей заряженных частиц (так называемые линей­ ные ускорители). В них заряженная частица помещается

на скат бегущей электромагнитной волны *. Под действием электрического поля волны частица стремится соскольз­ нуть в «ложбину», однако волна все время бежит вперед и гонит частицу перед собой. Если скорость волны воз-

1 Далеко не все виды электромагнитных волн подходят для этой цели. Для ускорения частиц необходимо, чтобы волна была про­ дольной, то есть чтобы ее электрическое поле было направлено в ту сторону, куда движется волна. Этому требованию соответствуют электромагнитные волны, распространяющиеся в специальных сложных системах. Обычная же электромагнитная волна, распро­

42

растает (как это было с морской волной, приближа­ ющейся к берегу), то увеличивается скорость подгоня­ емой ею частицы. Наибольшая сложность при осуще­ ствлении этого принципа заключается в том, чтобы «по­ садить» частицу на волну. Для этого желательно, чтобы начальная скорость частицы была близкой к скорости волны. Тогда частица сможет «сесть» на волну без особо­ го труда.

Обычная электромагнитная волна, распространя­ ющаяся в свободном пространстве, для этого не годится. Ее скорость равна скорости света, а последней, как изве­ стно, ни одна частица достичь не может. Нужна «мед­ ленная» волна, которая лишь впоследствии, по мере ус­ корения переносимой ею частицы, увеличивала бы свою скорость.

Для ускорения заряженных частиц можно использо­ вать сравнительно «медленные» плазменные волны, ско­ рость которых намного меньше скорости света. Пока та­ кие ускорители еще не созданы, но расчеты показывают, что они могут оказаться значительно эффективнее суще­ ствующих ныне линейных ускорителей, в которых исполь­ зуются замедленные электромагнитные волны.

Линейный ускоритель, так же как и большинство электрических машин, обладает свойством обратимости. С этим свойством мы уже познакомились выше на при­ мере превращения МГД-генератора в плазменный дви­ гатель. Точно так же можно построить прибор, обрат­ ный линейному ускорителю, в котором не волна «подго­ няла» бы электроны, а электроны «подгоняли» волну.

В линейном ускорителе заряженная частица увеличи­ вает свою скорость, заимствуя энергию у волны. В обрат­ ном устройстве, где электрон «подгоняет» волну, кинети­ ческая энергия электрона должна, очевидно, переда­

43

ваться волне. Электрон будет тормозиться, а амплитуда волны (то есть ее размах) должна увеличиваться. В кон­ це такого устройства амплитуда волны оказывается большей, чем вначале, и мы получаем в результате уси­ литель плазменных волн.

Плазма во Вселенной

Успехи астрофизики заставили ученых основательно пересмотреть представления о физическом состоянии ве­ щества во Вселенной. Раньше, на основании сведений, добытых на нашей холодной Земле, полагали, что основ­ ными состояниями вешества являются твердое, жидкое и газообразное, а состояние плазмы — необычное, исклю­ чительное. Теперь же, после того как ученые проникли глубже в строение звезд и Галактики, можно утверждать как раз обратное: основное и наиболее широко распро­ страненное состояние вещества во Вселенной — это плаз­ ма, а остальные три состояния — редкие и исключи­ тельные.

Согласно существующим на сегодня представлениям основная часть вещества во Вселенной сосредоточена в двух формахмежзвездного газа и вещества звезд.

Межзвездный газ, как свидетельствует само его на­ звание, заполняет огромные пространства между звез­ дами. Концентрация его чрезвычайно мала — она намно­ го меньше, чем в наилучшем вакууме, полученном в физических лабораториях. Но, учитывая огромные меж­ звездные расстояния, можно утверждать, что общая мас­ са этого газа очень велика и, возможно, превосходит мас­ су всех звезд, вместе взятых. Концентрация межзвездно­ го газа изменяется в зависимости от места: внутри нашей Галактики она составляет 10 атомов в 1 см3, вне Галак­

44

тики падает до 1 атома на 100 смг, а внутри Солнечной системы может возрастать до 103 атомов в 1 смг. По свое­ му составу межзвездный газ почти всецело является во­ дородом, хотя встречаются в нем атомы и других элемен­ тов. Межзвездный газ почти полностью ионизирован и представляет собой, таким образом, плазму исключи­ тельно низкой концентрации.

Какая же причина оторвала электроны почти у всех атомов во всем космическом пространстве? Видимо, это кванты ультрафиолетового излучения звезд, несущие с собой энергию, достаточную для ионизации атомов. Вероятность такого процесса (он называется фотоиониза­ цией) невелика, но и времени на осуществление его достаточно—у атомов межзвездного газа в запасе милли­ оны и миллиарды лет. За это время акт ионизации успе­ ет совершиться. А при существующих в космосе кон­ центрациях рекомбинация еще менее вероятна, чем фотоионизация. Так атомы межзвездного газа, ионизи­ ровавшись один раз, остаются навеки ионизированными.

Слабые электрические поля, существующие в космиче­ ском пространстве, сообщают частицам межзвездной плазмы высокую температуру — порядка 10 000°К, хотя нагреть какое-либо тело такой газ вследствие своей низ­ кой концентрации, конечно, не может.

Слабые магнитные поля, существующие в космосе, направляют движение межзвездного газа и туманностей. Именно такими полями объясняются странные и казав­ шиеся ранее загадочными движения и очертания этих космических тел. В свою очередь движения ионизирован­ ного газа порождают космические магнитные поля.

В особом состоянии находятся также соприкасающие­ ся с космосом самые верхние слои атмосферы Земли. Эти слои атмосферы, расположенные примерно на высо-

45

ге от 100 до 500 км, подвергаются со стороны Солнца сильному ультрафиолетовому облучению, а при изверже­ ниях на Солнце бомбардируются также потоками заря­ женных частиц (корпускул), которые при таких изверже­ ниях выбрасываются. Под действием этих облучений часть атомов и молекул верхней атмосферы разрушает­ ся — ионизируется. Так, например, на высоте 400 км кон­ центрация свободных заряженных частиц равна 106 см~3, что составляет около 1 % общей концентрации молекул газа. Вот почему этот верхний слой атмосферы, находя­ щийся в состоянии плазмы, носит название ионосферы.

Роль ионосферы для нас, живущих на Земле, весьма велика. Во-первых, ионосфера принимает на себя боль­ шую часть всех вредных для живого организма излуче­ ний, которые обрушиваются на нашу Землю из космиче­ ского пространства. Она поглощает наиболее коротко­ волновую часть ультрафиолетового излучения Солнца, его корпускулярные потоки, значительную часть космиче­ ских лучей. Наконец, в ней сгорают, не долетая до Земли, почти все метеориты. Именно потому, что ионосфера за­ держивает все эти виды частиц и излучений, она пребыва­ ет постоянно в возбужденном, ионизированном состоянии.

Во-вторых, ионосфера является той проводящей «крышей», которая отражает обратно на Землю электро­ магнитные волны радиостанций. Если бы ионосферы не было, радиоволны уходили бы в космическое простран­ ство, и за пределами прямой видимости радиоприем был бы невозможен. Именно это и происходит с ультракорот­ кими волнами телевизионных радиостанций, соответст­ вующими таким высоким частотам, которые плазма ионосферы уже не в состоянии отразить. Однако недо­ статок ультракоротких волн становится их достоинством, когда возникает вопрос о радиосвязи с космическими ко­

46

раблями и спутниками, совершающими свой полет выше ионосферы. Более длинные волны для этой цели не при­ годны.

Иногда, когда на ионосферу обрушивается особо сильный поток заряженных корпускул — электронов и ионов, выброшенных Солнцем, можно наблюдать свече­ ние ионосферной плазмы. Оно подобно свечению газа в газосветных трубках. Особенность свечения ионосферы состоит в том, что заряженные корпускулы, подлетая к Земле, встречают ее магнитное поле и оказываются вы­ нужденными идти вдоль его силовых линий. Эти линии приводят их к магнитным полюсам Земли. Вот почему свечение ионосферы обычно наблюдается только в высо­ ких широтах и носит название полярного сияния.

Магнитное поле Земли вызывает еще одно интересное явление. В некоторых областях пространства вокруг Земли конфигурация магнитного поля такова, что оно образует «магнитные ловушки» для заряженных частиц. Быстрые заряженные частицы, попав тем или иным пу­ тем в эти области, не могут покинуть их и остаются «за­ пертыми» там на продолжительное время. Эти области называются радиационными поясами. До начала иссле­ дования космоса с помощью искусственных спутников о существовании радиационных поясов и не подозревали. Теперь они являются объектом тщательного изучения. Оказалось, что первый радиационный пояс находится на расстоянии 1000 км, а второй — на расстоянии 25 000 км от поверхности Земли. Наибольшей интенсивности ра­ диационные пояса достигают над экватором.

Плотность и энергия заряженных частиц в радиаци­ онных поясах не остаются постоянными — они подверже­ ны периодическим изменениям, зависящим в первую оче­ редь от процессов, происходящих на Солнце. Энергия

47

частиц в радиационных поясах довольно велика. Так, во внешнем радиационном поясе энергия электронов со­ ставляет десятки тысяч электрон-вольт, а энергия про­ тонов во внутреннем радиационном поясе может дохо­ дить до сотен миллионов электрон-вольт.

Космический корабль, проходящий через радиацион­ ные пояса, подвергается сильному облучению, которое может причинить вред космонавту. Тонкие стенки совре­ менных космических кораблей, к которым предъявляет­ ся в первую очередь требование легкости, вряд ли смо­ гут быть надежной защитой от этого излучения. Радиа­ ционные пояса встают грозной стеной между Землей и космосом, грозя гибелью всякому живому существу, ко­ торое попытается прорваться сквозь них. Именно по этой причине все корабли с космонавтами совершают до сих пор свои полеты на высотах 200—400 км, то есть ниже внутреннего радиационного пояса. Не следует думать, однако, что положение безнадежно — радиационные по­ яса простираются лишь до широт 60—70°, оставляя над полюсами Земли «окна», свободные от радиации. По-ви­ димому, именно через эти «окна» и будет совершен первый выход человека в глубины «открытого» космоса.

Таковы особенности строения верхних слоев атмосфе­ ры Земли и прилежащих к ним областей космоса. Можно предполагать, что верхние слои атмосферы других пла­ нет — Марса, Венеры и Юпитера, подвергаемые корпу­ скулярной бомбардировке и облучению космическими лучами, также должны находиться в ионизированном со­ стоянии. Если у этих планет есть свои магнитные поля, то должны существовать и радиационные пояса. На все эти вопросы мы вскоре получим ответы от космических кораблей и автоматических станций, которые будут по­

48