Плазма в космосе


Задумывались ли Вы когда-нибудь над тем, что содержится в межзвёздном или в межгалактическом пространстве? В космосе технический вакуум, а стало быть ничего не содержится (не в абсолютном смысле, что ничего не содержится, а в относительном смысле). И Вы будете правы, потому что в среднем в межзвёздном пространстве около 1000 атомов на кубический сантиметр и на очень огромных расстояниях плотность вещества ничтожно мала. Но тут не всё так просто и однозначно. Пространственное распределение межзвёздной среды нетривиально. Помимо общегалактических структур, таких как перемычка (бар) и спиральные рукава галактик, есть и отдельные холодные и тёплые облака, окружённые более горячим газом. В межзвёздной среде (МЗС) огромное количество стуктур: гигантские молекулярные облака, отражательные туманности, протопланетные туманности, планетарные туманности, глобулы и т. д. Это приводит к широкому спектру наблюдательных проявлений и процессов, происходящих в среде. Далее списком перечисляются стуктуры, присутствующие в МЗС:

  • Корональный газ
  • Яркие области HII
  • Зоны HII низкой плотности
  • Межоблачная среда
  • Тёплые области HI
  • Мазерные конденсации
  • Облака HI
  • Гигантские молекулярные облака
  • Молекулярные облака
  • Глобулы

Мы не будем сейчас вдаваться в подробности что есть каждая структура, так как тема данной публикации — плазма. К плазматическим структрам можно отнести: корональный газ, яркие области HII, Тёплые области HI, Облака HI, т.е. практически весь список можно назвать плазмой. Но, возразите Вы, космос физический вакуум, и как же там может быть плазма с такой концентрацией частиц?

Чтобы ответить на данный вопрос, надо дать определение: что же такое плазма и по каким параметрам физики считают данное состояние вещества плазмой?
Согласно современным представлениям о плазме, это четвёртое состояние вещества, которое находится в газообразном состоянии, сильно ионизированное (первое состояние — твёрдое тело, второе — жидкое состояние и наконец третье — газообразное). Но не каждый газ, даже ионизированный, является плазмой.

Плазма состоит из заряженных и нейтральных частиц. Положительно заряженными частицами являются положительные ионы и дырки(плазма твёрдого тела), а отрицательно заряженными частицами — электроны и отрицательные ионы. Прежде всего необходимо знать концентрации того или иного сорта частиц. Плазма считается слабо ионизированная, если так называемая степень ионизации, равная


$r = N_e/N_n$

где

$N_e$

— концентрация электронов,

$N_n$

— концентрация всех нейтральных частиц в плазме, лежит в диапазоне

$(r < 10^{-2} - 10^{-3})$

. А полностью ионизированная плазма имеет степень ионизации

$r to infty$

Но как было сказанно выше, что не всякий ионизованный газ представляет собой плазму. Необходимо чтобы плазма обладала свойством квазинейтральности, т.е. в среднем за достаточно большие промежутки времени и на достаточно больших расстояниях плазма была в целом нейтральная. Но каковы эти промежутки времени и расстояния, при котором газ можно считать плазмой?

Итак, требование квазинейтральности следующее:


$sum_{alpha}e_{alpha}N_{alpha} = 0$

Давайте сначала выясним, как физики оценивают временной масштаб разделения зарядов. Представим себе, что некоторый электрон в плазме отклонился от своего первоначального равновесного положения в пространстве. На электрон начинает действовать кулоновская сила, стремящаяся вернуть электрон в равновесное состояние, т.е.

$F approx e^2/{r^2}_{ср}$

, где

$r_{ср}$

— среднее расстояние между электронами. Это расстояние примерно оценивается следующим образом. Допустим концентрация электронов (т.е. количество электронов в единице объёма) есть

$N_e$

. Электроны находятся в среднем на расстоянии друг друга

$r_{ср}$

, значит занимают объём в среднем

$V = frac{4}{3}pi r_{ср}^3$

. Отсюда, если в этом объёме 1 электрон,


$r_{ср} = (frac{3}{4pi N_e})^{1/3}$

. В результате электрон начнёт колебаться около равновесного положения с частотой

$omega approx sqrt{frac{F}{mr_{ср}}} approx sqrt{frac{4pi e^2 N_e}{3m}}$

Более точная формула

$omega_{Le} = sqrt{frac{4pi e^2 N_e}{m}}$

Эта частота называется электронной ленгмюровской частотой. Её вывел американский химик Ирвин Ленгмюр, лауреат нобелевской премии по химии «за открытия и исследования в области химии поверхностных явлений».

Таким образом естесственно принять за временной масштаб разделения зарядов величину, обратную ленгмюровской частоте

$tau = 2pi / omega_{Le}$

В космосе, в огромных масштабах, за отрезки времени

$t >> tau$

частицы совершают много колебаний около равновесного положения и плазма в целом будет квазинейтральная, т.е. по временным масштабам межзвёздную среду можно принять за плазму.


Но также необходимо оценить и пространственные масштабы, чтобы точно показать, что космос — это плазма. Из физических соображений ясно, что этот пространственный масштаб определяется длиной, на которую может сместится возмущение плотности заряженных частиц вследствие их теплового движения за время, равное периоду плазменных колебаний. Таким образом, пространнственный масштаб равен

$r_{De} approx frac{upsilon_{Te}}{omega_{Le}} = sqrt{frac{kT_e}{4pi e^2 N_e}}$

где

$upsilon_{Te} = sqrt{frac{kT_e}{m}}$

. Откуда взялась эта замечательная формула, спросите Вы. Будем рассуждать так. Электроны в плазме при равновесной температуре термостата постоянно двигаются с кинетической энергией

$E_k = frac{m upsilon^2}{2}$

. С другой стороны, из статистической термодинамики известен закон равномерного распределения энергии, и в среднем на каждую частицу приходится


$E = frac{1}{2} kT_e$

. Если сравнять эти две энергии, то мы получим формулу скорости, представленную выше.

Итак, мы получили длину, которую в физике называют электронный дебаевский радиус или длина.

Сейчас я покажу более строгий вывод уравнения Дебая. Опять представим себе N электронов, которые под действием электрического поля смещаются на некоторую величину. При этом образуется слой объёмного заряда с плотностью равной

$sum e_j n_j$

, где

$e_j$

— заряд электрона,

$n_j$

— концентрация электронов. Из электростатики хорошо известна формула Пуассона

$bigtriangledown^2 phi({r}) = - frac{1}{epsilon epsilon_0} sum e_j n_j$

Здесь


$epsilon$

— диэлектрическая проницаемость среды. С другой стороны электроны двигаются за счёт теплового движения и электроны распределяются согласно распределению Больцмана

$n_j ({r}) = n_0 exp(- frac{e_j phi({r})}{kT_e})$

Подставим уравнение Больцмана в уравнение Пуассона, получим

$bigtriangledown^2 phi({r}) = - frac{1}{epsilon epsilon_0} sum e_j n_0 exp(- frac{e_j phi({r})}{kT_e})$

Это уравнение Пуассона-Больцмана. Разложим экспоненту в этом уравнении в ряд Тейлора и отбросим величины второго порядка и выше.

$exp(- frac{e_j phi({r})}{kT_e}) = 1 - frac{e_j phi({r})}{kT_e}$

Подставим это разложение в уравнение Пуассона-Больцмана и получим

$bigtriangledown^2 phi({r}) = (sum frac{n_{0j} e_{j}^2}{epsilon epsilon_0 kT_e}) phi({r}) - frac{1}{epsilon epsilon_0} sum n_{0j} e_{j}$


Это и есть уравнение Дебая. Более точное название — уравнение Дебая-Хюккеля. Как мы выяснили выше, в плазме, как в квазинейтральной среде, второе слагаемое в этом уравнении равно нулю. В первом слагаемом мы по сути имеем длину Дебая.

В межзвёздной среде дебаевская длина равна около 10 метров, в межгалактической среде около

$10^5$

метров. Мы видим, что это достаточно большие величины, по сравнению, например, с диэлектриками. Это означает, что электрическое поле распространяется без затухания на эти расстояния, распределяя заряды в объёмные заряженные слои, частицы которых колеблются около положений равновесия с частотой, равной ленгмюровской.

Из этой статьи мы узнали две фундаментальные величины, которые определяют является ли космическая среда плазмой, несмотря на то, что плотность этой среды предельно мала и космос в целом является физическим вакуумом в макроскопических масштабах. В локальных масштабах мы имеем как газ, пыль, либо плазму

Источник: habr.com

В условиях входа космических аппаратов в атмосферу при гиперзвуковых скоростях выделяется огромное количество тепла, которое не только предъявляет высокие требования по тепловым нагрузкам к материалам спускаемого аппарата, но и приводит к образованию плазмы вокруг СКА. Это блокирует (вернее говоря, искажает) радиосигналы — в результате чего космический аппарат не в состоянии общаться со своими наземными станциями в течение нескольких минут.


Задача обеспечения устойчивой радиосвязи со спускаемыми космическими аппаратами стоит весьма остро.

Победа над плазмой — новый метод для связи с космическим аппаратом

Не менее актуальна задача и в военном аспекте: РГСН гиперзвуковых ракет и боевых блоков МБР. Например, для:

3М-22 («Циркон»)/на фото дем.макет pahMos-II, но вряд ли 3М-22 будет отличаться.

s

Плазма в космосе

Объект 4202 (Ю-71) (Так его представляет товарищ Коротченко).

]]>Плазма в космосе]]>

Или как его представляет Washington Times:

]]>


Плазма в космосе]]>

Радиолокация и радиосвязь через «такую» плазму не работают: суммарная мощность потерь электромагнитной энергии и радиошумовое излучение практически полностью определяющие уменьшение энергетического потенциала радиоканала связи в целом, существенно возрастают и предопределяют потерю радиосвязи на траектории спуска.

]]>Плазма в космосе]]>

Феномен обрыва связи при входе в атмосферу был открыт во время проекта «Меркурий», а затем программ «Джемини» и «Аполлон». Он проявляется на высоте снижения около 90 километров и до отметки в 40 километров — в результате быстрого нагрева поверхности падающей в атмосфере капсулы на ее поверхности образуется облако-плёнка плазмы, выступающая своего рода электромагнитным экраном.

]]>Плазма в космосе]]>

Эффект назван (не официально) Radio Silence During Fiery Re-Entry.

В конце ]]>фильма «Аполло-13»]]>, в котором представлена неудавшаяся лунная миссия с тремя астронавтами на его борту, у зрителей возникает напряженность, связанная со входом космического корабля в земную атмосферу. Именно в этот момент с кораблем прерывается связь, и операторы полета в американском Хьюстоне начинают нервно курить в эти бесконечно долго тянущиеся мучительные секунды. В этот момент космический корабль входит в атмосферу на второй космической скорости, что приводит к окружению его горячим ионизированным воздухом, вследствие чего прерывается связь с Землей.

Чтобы было понятнее представлю видео входа в атмосферу СКА Союз ТМА-13М:

Как самый актуальный пример — потеря связи и телеметрии при тестовых пусках USAF X-51A Scramjet.

]]>Плазма в космосе]]>

Ху из эта «плазма» и откуда она берётся? Предлагаю домашние заготовки:

1. Вариант, предложенный моим визави, уважаемым ]]>»жолдош»]]> (использован киргизский язык — я не ругался, банить не надо) ОПЕРАТОРом (орфография и стилистика сохранены):

Не путайте божий дар — ТОКАМАК с яичницей-ракетой, летящей на скорости свыше 5 М (1,5 км/с). Плазма, образующаяся вокруг неё за счет ударной диссоциации молекул воздуха…

в обсуждении статьи: ]]>О начале морских испытаний гиперзвуковых ракет «Циркон»]]>

Это не совсем верно, но приемлемо. На самом деле всё сложнее.

2. Вариант мой (не факт, что это абсолютное знание):

-«естественная» ионизация атмосферного воздуха. 

Плазма в космосе

На рисунке приведены результирующие значения равновесной концентрации электронов (электрон/см^3) в зависимости от высоты и скорости входа КА в атмосферу;

-модуляция входа в атмосферу, углы тангажа и рыскания («фонит» плазмой дно или обтекатель, или все его части (важно для п. помеченного *), в зависимости от плотности (высоты) среды меняются режимы обтекания газом тела;

]]>Плазма в космосе]]>

-ударная волна, расстояние отхода и её форма, теплообмен в пограничном слое, влияние ли термодиффузии (отдельные компоненты диффундируют и вступают в химические реакции или нет);

Плазма в космосе

аэродинамический пограничный слой служит источником энергии, передаваемой поверхности аппарата в процессе входа в атмосферу (движения в ней)

-тип тепловой защиты аппарата (*): тепловой аккумулятор или теплозащита уносом массы (абляция);

при абляции вообще получается коктейль, т.к. участвуют в плазмообразовании не только молекулы воздуха, но и молекулы/атомы (ионы, электроны) теплозащиты.

Плазма в космосе

]]>Плазма в космосе]]>

Жидкость (**), что получилась при нагреве и испарении ТЗП, т.е. расплав теплозащиты-течёт (в буквальном смысле) по поверхности гиперзвукового аппарата (боеголовки).

Плазма в космосе

-фотоны выбивают электроны из молекул и атомов воздуха и самого аппарата (его теплозащиты). 

Да, да: при таких энергиях и температурах кванты света обдирают электронные облака с «кирпичиков» вещества), см.[1]

]]>Плазма в космосе]]>

— магнитогидродинамическое воздействие на плазму при гиперзвуковом обтекании тела и его влияние на плазмо-«кожуру» и тепло- массо- перенос в скачке и в пограничном слое [2];

Плазма в космосе

Плазма в космосе

-наэлектризованные тела, наведённые электрические поля*** на заряды и даже электролиз (см.**);

]]>Плазма в космосе]]>

Примеры: 

+электролит и миграция зарядов от анода к катоду;

+шарик, который прилипает к стене, если его потереть о волосяной покров головы (если лысина — можно потереть о чужую). А стена-то не наэлектризована, она нейтральна. Однако «липнет»!

Прибегает домой мой отпрыск и говорит: 

Я хочу показать тебе фокус.

Берет лист бумаги, разрывает его на мелкие куски, достает свою ручку и натирает о свои волосы. 

А дальше что было, я думаю, что вы догадались…

-разряды в сверхзвуковом потоке;

Плазма в космосе

и многое другое.

Пожалуй, я закончу и вернусь к нашим «баранам». Какой вариант выбрать (оператора или мой) — решайте сами.

Запомните только эту картинку*** (она пригодится):

Плазма в космосе

Источник: www.kramola.info

Медицинские новости:

  • Плазма в космосе

    Мне повезло родиться левшой. Именно так — повезло, кто бы что ни говорил. Потому что в наше время левшей считают особенно одаренными, творческими. Сначала мне было несладко. До семи лет родители и учителя никак не могли выяснить: переобучать меня или нет.

    Интересное

  • Плазма в космосе

    Во время долгих зимних вечеров нетрудно замерзнуть, особенно, работая за компьютером. Так, по крайней мере, думают японцы, которые предлагают коврик для мышки, соединенный с обогревателем для ладони. Futon mouse pad, так называется это изобретение, присоединяется к порту USB, а ладонь с мышкой кладе…

    Интересное

  • Плазма в космосе

    Мэр Сочи начал борьбу с водителями, которые не соблюдают правила парковки. В конце ноября в олимпийской столице появятся видеокамеры, специально разработанные для фиксации нарушений со стороны водителей. А также Анатолий Пахомов пообещал, что уже на следующей неделе активно начнут работать эвакуатор…

    Интересное

  • Плазма в космосе

    Главное правило любого бизнеса — деньги вперед. Не забывайте о нем, какими бы лестными речами вас не уговаривали, какие бы выгодные условия не предлагали — ВЫ должны сначала получить деньги. Когда вы приходите в супермаркет, вам же никто не продает товар в долг, "до получки".

    Интересное

  • Плазма в космосе

    Зачастую, при общении с незнакомым человеком мы испытываем чувство неловкости, особенно, если разговор не клеится. Небольшая беседа спасет лишь ненадолго и, наверняка, закончится затянувшейся паузой. Ниже мы предлагаем вашему вниманию несколько простых способов завести разговор, если вы только что п…

    Интересное

  • Плазма в космосе

    В ходе опроса британского портала Play.com, который принадлежит компании Rakuten, было обнаружено, что, чем моложе клиент, тем больше вероятность, что свое недовольство он выразит в социальных медиа. Заявить через социальные сети об ужасной работе службы поддержки могут 46 процентов пользователей, в…

    Интересное

  • Плазма в космосе

    С каждым случалась ситуация, когда необходимо было срочно позвонить, а аккумулятор разрядился в самый неподходящий час. Кто-то для избегания этого, возможно, предложит носить с собой еще один аккумулятор. Однако его сперва нужно приобрести, а затем не забывать постоянно подзаряжать.

    Интересное

Источник: medbe.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.