15.3.3. НЕКОТОРЫЕ ЛАБОРАТОРНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ, ОТНОСЯЩИЕСЯ К КОСМИЧЕСКОЙ ФИЗИКЕ

После Биркеланда первые лабораторные эксперименты в области космической физики имели характер экспериментов с соблюдением подобия [71—73, 78, 122, 123, 157, 322, 339, 363]. Однако в результате этих исследований было установлено, что в лабораторных условиях невозможно осуществить реальное моделирование космических явлений — отчасти из-за большого числа рассматриваемых параметров, которые подчиняются различным законам подобия. Поэтому лабораторные эксперименты нужно направить на выяснение ряда фундаментальных для космической физики явлений, а не на получение уменьшенного варианта космического плазменного образования. В наше время наблюдается общая тенденция к смещению от моделирования конфигураций к моделированию процессов.

Проведенные эксперименты уже указали на наличие ряда таких фундаментальных явлений, на которые ранее на обращали внимания. Отметим следующие из них:

1. В подавляющем большинстве случаев замагниченная плазма обладает многочисленными неустойчивостями. Ленерт [256] составил перечень из 32 различных типов неустойчивостей, однако оказалось, что их имеется еще больше.

2. В плазме наблюдается тенденция к образованию электростатических двойных слоев, в которых имеются сильно локализованные электрические поля. Эти слои могут быть устойчивыми, но часто они вызывают колебания. Отмеченное явление в основном не зависит от магнитных полей. Если магнитное поле присутствует, то двойной слой прерывает его вмороженные силовые линии. Обзоры лабораторных данных и анализ их применимости к космическим явлениям (особенно в ионосфере) содержатся в работах [74, 157].

Рис. 15.3.1. В плазме часто образуются электростатические двойные слои или оболочки. На рисунке показано самопроизвольное образование электростатического разрыва. Магнитное поле предназначено исключительно для удержания разряда на некотором расстоянии от стенок, чтобы иметь гарантию, что наблюдаемые явления не обусловлены влиянием стенки. В двойном слое возникает разность потенциалов, которая иногда внезапно возрастает и может прервать разряд.

Рис. 15.3.2. Простая модель волокнистой структуры тока в плазме низкой плотности. Токи текут параллельно направлению магнитного поля. Линии на рисунке изображают как траектории тока, так и магнитные силовые линии. Магнитное поле частично обусловлено внешним осевым магнитным полем, а частично — тороидальным полем, образованным за счет самого тока [23]. Ток наиболее значителен на оси, а по мере удаления от нее становится слабее, что изображено уменьшением толщины линий.

3. Если ток протекает через электростатический двойной слой (часто создаваемый самим током), то слой может прерывать ток.

Это означает, что напряжение в двойном слое может достигать любой величины, необходимой для пробоя цепи (например,

в лабораторных условиях в магнитосфере 104—105 В, в солнечных факелах даже 1010 В). В этом случае плазма «взрывается», образуя область высокого вакуума [55, 78, 100, 395] (рис. 15.3.1).

4. Токи, параллельные магнитному полю (или еще более явно в отсутствие магнитных полей), имеют тенденцию к пинчу, т. е. к стягиванию в волокна, а не к образованию однородной струи [23, стр. 193] (рис. 15.3.2). Это одна из причин того, почему космическая плазма так часто имеет волокнистую структуру. Примером может служить замечательный космический эксперимент Люста и его группы [203] (правда, все еще не до конца интерпретированный).

5. Из перечисленных четырех явлений с неизбежностью следует, что однородная модель часто непригодна. Страты в положительном столбе тлеющего разряда и волокнистая структура (плазменные дуги и разряды молний при атмосферном давлении, авроральные лучи, корональные стримеры, протуберанцы и т. д.) являются типичными примерами неоднородностей. В природе не всегда образуется глубокий вакуум, но иногда значительная однородность приводит к желаемому вакууму. Например, замагниченная плазма имеет тенденцию к разделению на области высокой плотности (такие, как протуберанцы и корональные стримеры) и на «вакуумные» области (области низкой плотности, т. е. окружающая корона).

6. Если относительная скорость между замагниченной плазмой и неионизованным газом превышает некоторую критическую скорость полученную из условия равенства кинетической энергии энергии ионизации потенциал ионизации, та — масса атома), так что

то взаимодействие становится очень сильным, приводя к быстрой ионизации нейтрального газа. Это явление играет важную роль во многих экспериментах по термоядерному синтезу, а также в космосе и будет подробно рассмотрено в гл. 21.

7. Переход от полностью ионизованной плазмы к частично ионизованной и наоборот часто носит разрывный характер [259]. При плавном увеличении энергии, подводимой к плазме, степень ионизации внезапно возрастает от долей процента до величины, соответствующей полной ионизации. При определенных условиях граница между полностью ионизованной и слабо ионизованной плазмой оказывается очень резкой.

8. Усиление потока. Если тороидальная намагниченность в полученном в эксперименте плазменном кольце превышает полоидальную, то возникает неустойчивость, при которой полоидальная

Рис. 15.3.3. Геометрия эксперимента Линдберга с плазменными кольцами. а — прежде чем покинуть пушку, плазма обладает тороидальной намагниченностью В. Она выстреливается сквозь радиальное поле покидая пушку, плазменное кольцо выносит с собой силовые линии статического магнитного поля, в — плазменное кольцо с захваченным полоидальным полем. Если энергия тороидального магнитного поля слишком велика, часть ее переходит в энергию полоидального поля (за счет изгибной неустойчивости тока), полоидальный магнитный поток во время рассмотренного выше эксперимента. На верхней кривой показано, как при выстреле из пушки кольцо сначала приобретает полоидальный поток Позднее за счет неустойчивости кольца энергия тороидального магнитного поля преобразуется в энергию полоидального и поток увеличивается от до Верхняя и нижняя кривые характеризуют потоки, измеренные двумя петлевыми зондами на расстояниях 15 и 30 см от пушки соответственно.

намагниченность возрастает за счет тороидальной [267, 269]. Это явление, возможно, имеет непосредственное отношение к вопросу о том, как возникают космические магнитные поля [8, 24] (рис. 15.3.3).

9. Когда плазма, движущаяся параллельно магнитному полю, достигает точки изгиба магнитных силовых линий, то лабораторная плазма может отклониться в направлении, противоположном изгибу силовых линий [268] (рис. 15.3.4), в противоположность тому, что было бы естественно предположить на основе большинства астрофизических теорий.

10. Ударные волны и турбулентные явления в плазме низкой плотности необходимо изучить в лаборатории, прежде чем они смогут внести ясность в космические явления [339].

11. Другими важными физическими экспериментами являются исследования магнито активных условий в нейтральных точках [82].

Рис. 15.3.4. (см. скан) а — заряженные частицы, выстреливаемые параллельно магнитному полю, которое изгибается вниз, будут следовать изгибу. Если выстреливается плазменный пучок, то можно ожидать, что: возникнет такая электрическая поляризация, что пучок продолжит движение по прямой, в — пучок будет следовать изгибу, как в случае а, или пучок сохранит движение по прямой, увлекая с собой вперед «вмороженные» силовые линии магнитного поля, в описываемом эксперименте плазма не подчинялась ни одной из этих теорий; вместо этого она изгибалась в направлении, противоположном направлению магнитного поля. Если обратиться к полученным ранее результатам, то это легко объяснить действием электрического поля, перенесенного в обратном направлении быстрыми электронами [268].

Процесс конденсации твердого вещества из плазмы отличается от процесса конденсации насыщенного или пересыщенного газа при низкой температуре. В некоторой степени это обусловлено заметной термической неравновесностью, возникающей между радиационно охлаждаемыми твердыми зернами и окружающим их оптически тонким слоем горячего газа. Кроме того, важные явления могут возникнуть из-за заметного различия химических свойств нейтральной и ионизованной компонент плазменной смеси.

В космической плазме содержится по крайней мере 20 элементов, определяющих структурные и основные химические свойства образующихся из нее твердых веществ. Поэтому, если мы хотим понять химическую историю исходных твердых частиц, мы должны провести эксперименты по конденсации веществ указанного сложного состава в частично ионизованной среде. Полученные результаты послужат необходимым дополнением к теоретическим рассуждениям. Подобные эксперименты рассмотрели Аррениус и Альвен [43], а также Мейер [299, 300].

Таким образом, в ходе лабораторных исследований начали выявляться многие важнейшие свойства плазмы, которые ранее либо были неизвестны, либо ими пренебрегали. Эти свойства решительно отличаются от свойств, на которых основаны многие астрофизические теории. Различие между лабораторной плазмой и плазмой, рассматриваемой в этих теориях, в некоторых случаях может быть обусловлено несхожестью лабораторной и космической плазмы, но чаще всего оно отражает различие между гипотетической средой и той средой, которая является физической реальностью. Рассмотрение первой из двух названных выше сред приводит к умозрительным теориям, представляющим ограниченный интерес всюду, кроме разве что области интеллектуальных упражнений. Вторая среда является основой для понимания мира, в котором мы живем.

В настоящее время изучение магнитосферы проводится в условиях тесной взаимосвязи между исследованиями космической и лабораторной плазмы. Последний обзор результатов в этой области выполнен Фельтхаммаром [157]. Особый интерес представляют работы Бострёма [78], который показал, что вдоль силовых линий геомагнитного поля в нижней магнитосфере может иметь место значительное падение напряжения, приводящее к отделению ионосферы от магнитосферы. Эти эффекты важны для понимания концепции частичной коротации, рассмотренной в гл. 17.