ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.04.2024
Просмотров: 68
Скачиваний: 0
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
iuke |
«смешанную:* |
|
|
|
|||
плазму, |
захвачены в |
|
|
|
|||
плен |
магнитным |
по- |
|
|
|
||
. лем Земли и блуж- |
|
|
|
||||
■дают в нем, не в си |
|
|
|
||||
лах вырваться из не |
|
|
|
||||
го и уйти в мировое |
|
|
|
||||
пространство. |
|
ЗЕМЛЯ |
|
|
|||
«Население» вну |
|
|
|||||
вНУТРЕННЯЯ ОБЛАСТЬ |
|
||||||
треннего |
плазменно |
|
|||||
вне шня я |
ОБЛАСТЬ |
|
|||||
го пояса в основном, |
|
||||||
Земля |
окружена |
плазменными |
|||||
видимо, |
состоит |
из |
|||||
вторичных частиц, |
поясами, особенно толстыми в |
||||||
экваториальных |
областях. |
||||||
которые |
образуются |
|
|
|
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.
3 З а к . 175. |
33 |
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
ностнЫх слоях звезд, в ато
мах находится еще доста точно электронов, чтобы ис
пускаемое ими излучение было характерным для этих атомов, то есть представляло .собой как бы их «визит ные карточки». Разлагая свет звезд с помощью осо бых приборов в спектр, «можно по спектрам судить о присутствии тех или иных химических элементов в звезде, а по количеству ли ний в спектрах, их положе нию и ширине — также и о температуре поверхности
Электрон, пролетая ми мо ядра, притягивается им и тормозится. При этом электрон испускает фотоны рентгеновских
лучей.
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
3* |
35 |
|
|
|
|
|
|
гиях электроное и вызва |
||||||
|
|
|
|
|
но особым действием маг |
||||||
|
|
|
|
|
нитных полей, существую |
||||||
|
|
|
|
|
щих в туманностях. Как |
||||||
|
|
|
|
|
мы увидим дальше, маг |
||||||
|
|
|
|
|
нитное |
поле |
может |
за |
|||
|
|
|
|
|
кручивать пути |
заряжен |
|||||
|
|
|
|
|
ных |
частиц, |
заставляя |
||||
|
|
|
|
|
их, например, двигаться |
||||||
Силовые |
линии |
магнитных |
по |
окружностям. |
Извест |
||||||
но, |
что вращательное дви |
||||||||||
полей |
в |
туманностях |
часто |
||||||||
имеют |
волокнистую |
струк |
жение |
является |
ускорен |
||||||
туру. Так выглядит картина |
ным. |
Вследствие |
этого |
||||||||
магнитных полей в Крабо |
электроны, как и при лю |
||||||||||
видной туманности. |
бом |
ускоренном |
движе |
||||||||
тоны. |
Подобное |
|
|
нии, будут излучать фо |
|||||||
излучение можно наблюдать |
и в |
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