книги из ГПНТБ / Рыдник В.И. Четвертое состояние вещества

Второй интересной особенностью этого зеркала является то, что оно представляет собой слой до­ вольно разреженной плазмы. Но откуда взялась плазма на такой высоте над Землей?

Вспомним, что при освещении газа рентгенов­ скими лучами он становится проводником электри­ ческого тока: в газе образуются свободные ионы и электроны. Роль, подобную фотонам рентгеновских лучей, могут играть фотоны гамма-лучей, испускае­ мых радиоактивными веществами, находящимися в земной коре. Действительно, эти фотоны образуют ионы в воздухе. Но это — не настоящая плазма: ионов в ней очень мало, и кроме того, ионизацию «земные» гамма-лучи могут производить только в самых низких слоях атмосферы.

Но у природы в запасе есть и другие способы создания плазмы из воздуха. Одним из них явля­ ются космические лучи — мощные потоки заряжен­ ных частиц, приходящих из глубин мирового про­ странства. Эти частицы несут с собой очень боль­ шую энергию и в состоянии разбивать встретив­ шиеся на их пути атомы газов, которые образуют атмосферу. Проходя через атмосферу, частицы кос­ мических лучей постепенно тормозятся и в нижних слоях атмосферы начинают обильно образовывать ионы — это происходит на высоте примерно 16 ки­ лометров. *■

Но измерения с отражением радиоволн от ионо­ сферы показали, что она должна располагаться раз в десять выше и, кроме того, что ионосфера не имеет однородного строения, а разбита на несколь­ ко слоев. Количество ионосферных слоев и их высо­ та не являются неизменными, а меняются в зависи­ мости от географического положения, времени су­ ток, а также времени года. Наукой твердо установ-

30

лето, что ответственной за образование ионосферы является кипучая деятельность Солнца.

Солнце посылает во все стороны не только свет и тепло, но также фотоны ультрафиолетовых и рент­ геновских лучей и потоки заряженных частиц, о ко­ торых мы уже говорили. Последние, хотя и усту­ пают в энергии частицам космических лучей, но превосходят их по интенсивности. На дальних под­ ступах к Земле фотоны и частицы входят в атмо­ сферу. «Эхо сражений» солнечных частиц с части­ цами земной «брони» доносится к нам в виде поляр­ ных сияний. Наиболее энергичным из солнечных фотонов и частиц удается прорваться через первую «линию обороны», и отголоском «сражения» на второй «линии обороны» является появление плаз­ мы — образование ионосферы. Верхние слои ионо­ сферы живут круглые сутки — ионы и электроны в 'них яе успевают воссоединиться за ночь: слишком разрежена там .плазма, слишком редко встречаются Друг с другом ее частицы.

Атмосфера.воистину является броней Земли. На высоте примерно 60 километров находится третья «линия обороны» — так называемый озонный слой.

Попробуйте посидеть под южным солнцем хотя бы час, не подготовив заранее к этому свой орга­ низм, и вы не только перегреетесь .но и «обгорите», кожа ваша сильно покраснеет.

А теперь представьте, что с вами случилось бы, просиди вы несколько суток под таким солнцем. Это равносильно пятиминутному пребыванию под солнцем, но без «охраны» озонным слоем. Озон­ ный слой поглощает основную массу губительных для всего живого на Земле ультрафиолетовых лу­ чей Солнца (напомним, что загар вызывается ультрафиолетовыми лучами Солнца). П;ри этом

31

озонный слой частично .превращается в плазму, правда, пока лишь светит Солнце (ночью этот ионо­ сферный слой исчезает).

Чем дальше от Земли, тем разреженнее атмо­ сфера, тем реже попадаются в ней нейтральные атомы, тем ближе плазма к «идеальной», в кото­ рой присутствуют одни лишь заряженные частицы.

Иногда спокойная атмосферная плазма как бы «вскипает», ионосферное зеркало покрывается «рябью». Радиоволны перестают отражаться от ионосферы, радиосвязь на огромных земных терри­ ториях нарушается, компасные стрелки вертятся во все стороны, указывая куда угодно, только не на се­ вер и юг, — иными словами, бушуют магнитные бури, а в северных и южных областях нашей пла­ неты вспыхивают очень длительные и яркие поляр­ ные сияния. Это случается в периоды особенно сильных нарушений нормальной солнечной деятель­ ности, когда Солнце выбрасывает в пространство чрезвычайно мощные сгустки заряженных частиц.

Совершенно новое слово в исследование плазмы, окружающей. Землю, внесли полеты искусственных спутников Земли и запуски космических и так на­ зываемых геофизических ракет. Эти «летающие ла­ боратории» передают на Землю исключительно ин­ тересные сведения о состоянии плазмы на больших высотах.

Так, выяснилось, что Земля окружена дополни­ тельными мощными (плазменными поясами, имею­ щими уже не только солнечное, но и «смешанное» происхождение.

Как мы увидим из дальнейшего рассказа, огром­ ное влияние на движение частиц в плазме оказы­ вают внешние по отношению к ней электрические и магнитные поля. Заряженные частицы, образую-

32

в результате' разру­ шительной деятельности космических лучей в атмо­

сфере, и небыстрых солнечных частиц, растерявших свою энергию в атмосфере Земли.

Плазменные пояса из частиц, захваченных в плен магнитным полем Земли, уже не имеют шаро­ образной формы, как ионосферные слои, а скорее напоминают огромные баранки, охватывающие земной шар широкими кольцами, особенно толсты­ ми в экваториальных областях.

ПЛАЗМА В ГЛУБИНАХ ВСЕЛЕННОЙ

Несколько забегая вперед, расскажем сейчас о жизни плазмы в глубинах космического простран­ ства. Ближайшим к нам сгустком плазмы является Солнце. Сегодня ученые уже могут уверенно ска­ зать, что любой самостоятельно светящийся объект во Вселенной, будь то звезда или слабое пятнышко неправильной формы — так называемая туман­ ность, — состоит из плазмы.

Свет, излучаемый звездами, есть не что иное, как свечение плазмы, разогретой до очень высокой температуры. Температуры в недрах звезд могут достигать десятков миллионов градусов. Правда, наружные оболочки звезд значительно холоднее: их температуры могут составлять не более нескольких тысяч градусов. Именно это обстоятельство дало ученым возможность (получить сведения о химиче­ ском составе звезд.

Однако при гигантских температурах в недрах звезд ядра всех атомов совершенно «оголены» — в атомах нет электронов. Что же там светится? Ока­ зывается, те же электроны, только уже свободные. С этим явлением ученые знакомы уже давно. Дело в том, что электроны могут излучать, то есть испу­ скать фотоны, не только «стрыгая» в атомах, но и вообще при любом изменении их движения, напри­ мер, при его замедлении, то есть при уменьшении их энергии. Теряемая электронами при замедлении энергия и испускается в виде фотонов. Только теперь это уже фотоны не видимого света, а более энергичные фотоны рентгеновских лучей. Именно так и рождаются рентгеновские лучи, когда элек­ троны, разогнанные до огромных скоростей элек­ трическим полем в рентгеновской трубке, резко тор­ мозятся, ударяясь о мишень трубки, называемую анодом, или антикатодом. Поэтому излучение за­ медляющих свое движение электронов называется тормозным.

То же происхождение имеют рентгеновские лучи, существующие во внутренних слоях Солнца, где электроны преимущественно свободны и тормозятся при столкновениях с более медленно движущимися атомными ядрами.

При температурах же, существующих в поверх­

34

звезды.

Очень интересные сведения дает свечение плаз­ мы в туманностях, этих чрезвычайно разреженных и невообразимо огромных плазменных «облаках». Если наружные температуры звезд составляют ты­ сячи градусов, то в туманностях вследствие крайней разреженности вещества в них температуры ионов близки к абсолютному нулю. Более энергичные свободные электроны, встречаясь с ионами туман­ ностей, возбуждают их свечение, и хотя каждое такое столкновение случается раз во многие мил­ лиарды лет, общее количество электронов и ионов в туманности столь колоссально, что она испускает вполне заметное свечение.

Но существует еще одна, даже, возможно, бо­ лее важная причина свечения туманностей — испу­ скание св^та самими свободными электронами. Оно имеет место только при чрезвычайно больших энер­

земных условиях в плазме, разогретой до очень вы­ соких температур, если поместить ее в магнитное поле. Наблюдение такого излучения позволяет де­ лать важные выводы о строении туманностей. Их свечение как бы проявляет картину существующих в TyMaHHoefях магнитных полей, которые имеют волокнистую структуру.

Магнитные и электрические поля в туманностях очень слабы даже по сравнению со слабыми зем­ ными полями, но частицы плазмы, блуждая в них многие миллиарды лет, то тормозясь, то ускоряясь, все же могут разгоняться до колоссальных скоро­ стей, очень близких к скорости света. Вырываясь тогда из плева магнитных полей туманности, эти частицы разлетаются по всем направлениям. При­ ходящие на Землю потоки таких частиц и называ­ ются космическими лучами.

36

ОТ ВОЛЬТОВОЙ ДУГИ К ЛАМПЕ ДНЕВНОГО СВЕТА

Вы простужены, и врач дает вам назначение на «кварц», или, правильнее говоря, — на облучение кварцевой лампой. Три-четыре сеанса — и простуда прошла.

Чем же лечит кварцевая лампа? Некоторые счи­ тают, что теплом.

Мы привыкли, и не без оснований, к тому, что все, что светится, — горячее. Если дотронуться до горящей электрической лампочки, наверняка обож­ жешься. Но дотроньтесь до стенок кварцевой лам­ пы — не бойтесь обжечься! — они совершенно хо­ лодные. Кварцевая лампа представляет собой элек­ трическую дугу :в парах ртути низкого давления. Она дает не тепло, а в основном ультрафиолетовые лучи, которые губительно действуют на микробов. Обычное стекло поглощает эти лучи очень сильно, поэтому стенки лампы сделаны из прозрачного для них кварцевого стекла, откуда и пошло название лампы.

У плазмы свои законы. Если плазма светится, то это еще вовсе не означает, что она горячая. На что идет электрическая энергия, подводимая к плазме? Мы это уже выяснили: на ионизацию ато­ мов и движение свободных электронов, на усиление теплового двиясения ионов, наконец, на возбужде­ ние атомных электронов, проявляющееся в виде свечения атомов. Вот это «наконец» и играет глав­ ную роль в кварцевой лампе.

Распределить энергию в плазме можно по-раз­ ному, в зависимости от состава плазмы и условий, в которых она находится. Можно сделать так, что­ бы эта энергия в большой доле превратилась в све­ товую энергию. Температура в лампе на первый

37

взгляд достаточно высокая: без этого атомы не на­ чали бы светиться. Но какая это температура? Вопрос может.показаться странным. Разве в плаз­ ме не одна температура?

, Оказывается, нет. В любой плазме, состоящей из частиц двух сортов (в нашем случае — из свобод­ ных электронов и ионов ртути), существуют две температуры: одна для электронов, другая для ионов. И эти две температуры равны только в осо­ бых условиях; в кварцевой же лампе обе темпера­ туры различны: ионная температура, соответствую­ щая тепловому движению ионов ртути, невелика (стенки лампы холодные), а электронная темпера­ тура, соответствующая возбуждению свечения ато­ мов, довольно высока.

Мы еще вернемся к этому вопросу. Пока же за­ метим, что ионная температура в кварцевой лампе мала потому, что в разреженных парах ртути столк­ новения ионов редки. Поэтому и передача тепла стенкам лампы происходит очень слабо. Электроны же, имеющие высокую температуру, возбуждают только свечение ионов, а в процессе передачи тепла почти не участвуют, поскольку тепло передается при «механических» столкновениях, а массы элек­ тронов ничтожны по сравнению с массами ионов, так что электроны не могут существенно повлиять на движение ионов. Так, чтобы полностью передать свою энергию иону, электрон должен столкнуться с ним более тысячи раз.

Ртутная дуга явилась родоначальницей новых осветительных ламп. В обычных электрических лам­ пах накаливания львиная доля электрической энер-

.гии переходит в ненужное тепло (светится раскален­ ная металлическая нить), а на долю света остаются считанные проценты. Между тем целесообразно

38

иметь такие источники света, в которых соотноше­ ние между излучаемым ими теплом и светом было бы обратным. Ртутная дуга подсказала идею такой лампы, которая ныне широко вошла в нашу жизнь. Большая заслуга в разработке и создании этой лам­ пы принадлежит замечательному советскому уче­ ному, академику С. И. Вавилову.

Это — лампа дневного света, называемая иначе люминесцентной лампой. На стенки ее наносятся люминофоры — особые вещества, испускающие видимый свет под действием мощных ультрафиоле­ товых лучей, высвечиваемых плазмой в ртутной Дуге. Это видимое свечение без участия тепла и на­ зывается люминесценцией. Путем тщательного под­ бора материалов стенок люминесцентных ламп уда­ лось добиться, что цвет свечения этих ламп, резко Отличаясь от богатого желтыми и красными лучами свечения лампнакаливания, значительно прибли­ зился к естественному солнечному освещению.

ПЛАЗМА САМООРГАНИЗУЕТСЯ

Кварцевая и люминесцентная лампа — далеко не единственные виды применения плазмы в тех­ нике. В современной радиотехнике и электронике очень широко распространены приборы, в которых используются самые разнообразные проявления электрического разряда в газах.

Это разнообразие определяется многими причи­ нами, в первую очередь химическим составом газа, напряжениями и токами в разряде, давлением газа и т. д.

Многие особенности электрического разряда в газах уже объяснены и используются в технике — в первую очередь в технике высокого вакуума, в

39