Техника - молодёжи 1974-01, страница 5

в лаборатории и космосе

Академии

наук

СССР-

250

л

Протонно-электронные ветры

Уже первые измерения в околоземном пространстве показали: магнитное поле нашей планеты — огромная магнитная ловушка для потоков солнечной плазмы. Б этой ловушке царила та же неустойчивость, какая раньше наблюдалась и в лабораторных условиях. Экспериментальные установки для получения управляемой термоядерной реакции предстали и как первые модели космических плазменных феноменов.

Как же получается солнечный ветер?

Внешний разреженный слой плазмы вокруг светила становится для нас видимым лишь во время полного затмения. Тогда на фоне темного неба сияет солнечная корона. Это и есть сильно ускоренная, высокоэнергичная плазма с температурой, достигающей миллиона градусов.

Температура видимой атмосферы Солнца — фотосферы — гораздо ниже и составляет всего 6000° С. Выброшенная в космическое пространство плазма короны достигает Земли и других планет в виде солнечного ветра. В районе нашей планеты его плотность составляет 5—10 частиц в 1 куб. см, в основном электронов и протонов, то есть осколков водородных атомов ближайшей к нам звезды.

Встречая на своем пути магнитное поле Земли, солнечный ветер активно взаимодействует с ним. Поле и плазма взаимно проникают друг в друга. В области равновесия сил возникает полусферический щит, граница так называемой магнитосферы Земли. Расстояние до нее достигает нескольких десятков тысяч километров. За последнее время десятки исследовательских ракет и искусственных спутников с сильно вытянутой орбитой пронизали эту область и прислали оттуда важные данные.

Но «щит» не настолько непроницаем, как можно было бы судить по названию. Частицы с достаточно высокой энергией проходят сквозь него и попадают в магнитосферу, навиваются на многочисленные магнитные силовые линии. Картина их

напоминает луковицу, в полярных же областях они сильно загнуты внутрь. Частицы описывают вокруг них спиральные орбиты, достигают полярных «воронок», там меняют направление движения и идут по спиралям обратно. Захваченные слоями магнитной «луковицы» протоны и электроны заполняют пояса радиации вокруг Земли. Наиболее богатые энергией частицы прорываются по силовым линиям к полюсам, проникают в верхние слои атмосферы и сталкиваются там с молекулами воздуха, вызывая полярные сияния.

Время от времени на Солнце происходят мощные взрывы, выбрасывающие дополнительные потоки плазмы. Солнечный ветер превращается в ураган. Тогда в магнитосфере происходят различные возмущения, которые могли бы стать для нас гибельными, не находись мы на самом дне воздушного океана. Одно из характерных явлений — магнитные бури, почти всегда на какое-то время прерывающие дальнюю радиосвязь.

Сейчас еще трудно нарисовать глобальную картину таких нарушений: измерительные приборы космических кораблей прекращают в подобных случаях передачу сведений.

Приходится воспроизводить эти процессы в лабораторных условиях.

Ударные волны в мини-космосе

В принципе опытные установки просты: нужен лишь плазменный источник, способный дать достаточно сильный протонно-электронный «ветер», и магнитная модель Земли. Экспериментально удается наблюдать одно из интереснейших явлений — ударные волны в плазме. При крайне низкой плотности частиц, соответствующей условиям космического пространства, это поистине удивительно. В воздухе такие ударные волны вызваны скачками уплотнения при сверхзвуковом истечении. Примером может служить «хвост» из двойных хлопков, тянущийся за сверхзвуковым реактивным самолетом. Но то, что сравнительно легко

можно исследовать в обычном газе, в случае плазмы кажется весьма загадочным.

Ударная волна — область, где параметры газа (плотность, температура, распределение скоростей частиц) скачкообразно меняются. Ширина скачка составляет конечную величину, зависящую от длины свободного пробега атомов и молекул в данном газе. Так называют среднюю длину пути, который атом или молекула газа могут пройти, не сталкиваясь с другими частицами. В пределах свободного пробега в ударной волне идет рассеивание энергии, когда энергия упорядоченного движения необратимо переходит в тепловую. Эти процессы в нормальных газах и их смесях давно уже изучены с достаточной точностью.

Но для плазмы проблема в значительной мере остается нерешенной. Сказываются различия в длине свободного пробега частиц. В воздухе она чрезвычайно мала, и «толщина» ударной волны едва достигает нескольких микрон. А в плазме длина свободного пробега невероятно велика, в космосе она превышает расстояние между Солнцем и Землей в несколько сот раз. Поэтому законен вопрос: как можно вообще говорить об ударных волнах в плазме?

Однако расхождения со свойствами обычных газов на том не кончаются. У смеси заряженных частиц больше степеней свободы. Под этим термином понимают ту или иную степень ограниченности движений и взаимодействия частиц. В плазме такого рода ограничений меньше. В ней возможны и колебательные движения из-за зарядов. Если доба~ вить магнитное поле, то возникнут и другие колебания.

6 воздухе ударные волны пробегают за секунду несколько сотен метров. А в плазме — сотни, если не тысячи километров. Неудивительно, что создание генератора таких волн и соответствующей измерительной техники остается делом проблематичным. Внутри столь быстро перемещающейся области скачка все процессы разыгрываются за миллионные доли секунды. Но даже при такой ультрамалой длительности

з