Файл: Левитский С.М. Плазма служит человеку.pdf

тики падает до 1 атома на 100 смг, а внутри Солнечной системы может возрастать до 103 атомов в 1 смг. По свое­ му составу межзвездный газ почти всецело является во­ дородом, хотя встречаются в нем атомы и других элемен­ тов. Межзвездный газ почти полностью ионизирован и представляет собой, таким образом, плазму исключи­ тельно низкой концентрации.

Какая же причина оторвала электроны почти у всех атомов во всем космическом пространстве? Видимо, это кванты ультрафиолетового излучения звезд, несущие с собой энергию, достаточную для ионизации атомов. Вероятность такого процесса (он называется фотоиониза­ цией) невелика, но и времени на осуществление его достаточно—у атомов межзвездного газа в запасе милли­ оны и миллиарды лет. За это время акт ионизации успе­ ет совершиться. А при существующих в космосе кон­ центрациях рекомбинация еще менее вероятна, чем фотоионизация. Так атомы межзвездного газа, ионизи­ ровавшись один раз, остаются навеки ионизированными.

Слабые электрические поля, существующие в космиче­ ском пространстве, сообщают частицам межзвездной плазмы высокую температуру — порядка 10 000°К, хотя нагреть какое-либо тело такой газ вследствие своей низ­ кой концентрации, конечно, не может.

Слабые магнитные поля, существующие в космосе, направляют движение межзвездного газа и туманностей. Именно такими полями объясняются странные и казав­ шиеся ранее загадочными движения и очертания этих космических тел. В свою очередь движения ионизирован­ ного газа порождают космические магнитные поля.

В особом состоянии находятся также соприкасающие­ ся с космосом самые верхние слои атмосферы Земли. Эти слои атмосферы, расположенные примерно на высо-

45

ге от 100 до 500 км, подвергаются со стороны Солнца сильному ультрафиолетовому облучению, а при изверже­ ниях на Солнце бомбардируются также потоками заря­ женных частиц (корпускул), которые при таких изверже­ ниях выбрасываются. Под действием этих облучений часть атомов и молекул верхней атмосферы разрушает­ ся — ионизируется. Так, например, на высоте 400 км кон­ центрация свободных заряженных частиц равна 106 см~3, что составляет около 1 % общей концентрации молекул газа. Вот почему этот верхний слой атмосферы, находя­ щийся в состоянии плазмы, носит название ионосферы.

Роль ионосферы для нас, живущих на Земле, весьма велика. Во-первых, ионосфера принимает на себя боль­ шую часть всех вредных для живого организма излуче­ ний, которые обрушиваются на нашу Землю из космиче­ ского пространства. Она поглощает наиболее коротко­ волновую часть ультрафиолетового излучения Солнца, его корпускулярные потоки, значительную часть космиче­ ских лучей. Наконец, в ней сгорают, не долетая до Земли, почти все метеориты. Именно потому, что ионосфера за­ держивает все эти виды частиц и излучений, она пребыва­ ет постоянно в возбужденном, ионизированном состоянии.

Во-вторых, ионосфера является той проводящей «крышей», которая отражает обратно на Землю электро­ магнитные волны радиостанций. Если бы ионосферы не было, радиоволны уходили бы в космическое простран­ ство, и за пределами прямой видимости радиоприем был бы невозможен. Именно это и происходит с ультракорот­ кими волнами телевизионных радиостанций, соответст­ вующими таким высоким частотам, которые плазма ионосферы уже не в состоянии отразить. Однако недо­ статок ультракоротких волн становится их достоинством, когда возникает вопрос о радиосвязи с космическими ко­

46

раблями и спутниками, совершающими свой полет выше ионосферы. Более длинные волны для этой цели не при­ годны.

Иногда, когда на ионосферу обрушивается особо сильный поток заряженных корпускул — электронов и ионов, выброшенных Солнцем, можно наблюдать свече­ ние ионосферной плазмы. Оно подобно свечению газа в газосветных трубках. Особенность свечения ионосферы состоит в том, что заряженные корпускулы, подлетая к Земле, встречают ее магнитное поле и оказываются вы­ нужденными идти вдоль его силовых линий. Эти линии приводят их к магнитным полюсам Земли. Вот почему свечение ионосферы обычно наблюдается только в высо­ ких широтах и носит название полярного сияния.

Магнитное поле Земли вызывает еще одно интересное явление. В некоторых областях пространства вокруг Земли конфигурация магнитного поля такова, что оно образует «магнитные ловушки» для заряженных частиц. Быстрые заряженные частицы, попав тем или иным пу­ тем в эти области, не могут покинуть их и остаются «за­ пертыми» там на продолжительное время. Эти области называются радиационными поясами. До начала иссле­ дования космоса с помощью искусственных спутников о существовании радиационных поясов и не подозревали. Теперь они являются объектом тщательного изучения. Оказалось, что первый радиационный пояс находится на расстоянии 1000 км, а второй — на расстоянии 25 000 км от поверхности Земли. Наибольшей интенсивности ра­ диационные пояса достигают над экватором.

Плотность и энергия заряженных частиц в радиаци­ онных поясах не остаются постоянными — они подверже­ ны периодическим изменениям, зависящим в первую оче­ редь от процессов, происходящих на Солнце. Энергия

47

частиц в радиационных поясах довольно велика. Так, во внешнем радиационном поясе энергия электронов со­ ставляет десятки тысяч электрон-вольт, а энергия про­ тонов во внутреннем радиационном поясе может дохо­ дить до сотен миллионов электрон-вольт.

Космический корабль, проходящий через радиацион­ ные пояса, подвергается сильному облучению, которое может причинить вред космонавту. Тонкие стенки совре­ менных космических кораблей, к которым предъявляет­ ся в первую очередь требование легкости, вряд ли смо­ гут быть надежной защитой от этого излучения. Радиа­ ционные пояса встают грозной стеной между Землей и космосом, грозя гибелью всякому живому существу, ко­ торое попытается прорваться сквозь них. Именно по этой причине все корабли с космонавтами совершают до сих пор свои полеты на высотах 200—400 км, то есть ниже внутреннего радиационного пояса. Не следует думать, однако, что положение безнадежно — радиационные по­ яса простираются лишь до широт 60—70°, оставляя над полюсами Земли «окна», свободные от радиации. По-ви­ димому, именно через эти «окна» и будет совершен первый выход человека в глубины «открытого» космоса.

Таковы особенности строения верхних слоев атмосфе­ ры Земли и прилежащих к ним областей космоса. Можно предполагать, что верхние слои атмосферы других пла­ нет — Марса, Венеры и Юпитера, подвергаемые корпу­ скулярной бомбардировке и облучению космическими лучами, также должны находиться в ионизированном со­ стоянии. Если у этих планет есть свои магнитные поля, то должны существовать и радиационные пояса. На все эти вопросы мы вскоре получим ответы от космических кораблей и автоматических станций, которые будут по­

48

сланы на разведку к нашим ближайшим соседям по Сол­ нечной системе.

Солнце тоже имеет свою ионосферу, и притом доволь­ но мощную. Она простирается на расстояние в несколь­ ко солнечных радиусов и наблюдается во время затме­ ния в виде жемчужного свечения, окружающего Солнце и известного под названием солнечной короны. Концен­ трация электронов и ионов в короне довольно велика — порядка 108 на 1 см3, а мощные электромагнитные про­ цессы, происходящие на Солнце и в его окрестностях, на­ гревают плазму короны до 1 000 000° К- Однако из-за сравнительно низкой концентрации заряженных частиц

плазма короны почти полностью прозрачна для видимо­ го света. Ее присутствие и ее излучение обнаруживаются только в области ультракоротких радиоволн.

Ниже короны расположена «атмосфера» Солнца — так называемая хромосфера, а еще ниже ярко светящая­ ся фотосфера. Та и другая имеют температуру около 6000° К и представляют собой весьма сильно ионизиро­ ванную плазму. Мощные магнитные поля, существующие на Солнце, гонят в фотосфере и хромосфере огненные плазменные «ветры». Возмущения и завихрения, образу­ емые этими ветрами, мы наблюдаем в виде солнечных пятен и так называемых факелов.

Что происходит дальше, в глубинах Солнца, мы наблюдать непосредственно не можем, однако расчеты показывают, что в центральных областях его должны су­ ществовать давления порядка биллионов атмосфер и температуры порядка десятков миллионов градусов.

Плотность вещества в солнечных глубинах состав­ ляет около 100 г/см3— на порядок больше, чем плот­ ность твердых веществ на Земле. А плотность вещества в глубинах некоторых звезд («белых карликов») состав­

49

ляет 105—106 г/смг. Возможность такого чудовищного уплотнения вещества кажется на первый взгляд очень странной, но положение прояснится, если мы вспомним, что вещество в глубинах звезд находится в состоянии вы­ сокотемпературной плазмы. При температурах, господст­ вующих там, атомы ионизированы до конца, то есть с атомного ядра сорваны почти все электронные оболочки. Суммарный объем получившихся свободных частиц — электронов и ядер — намного меньше, чем объем исход­ ного атома, в котором электроны должны были находить­ ся на строго определенных (и в масштабах ядерной фи: зики довольно больших) расстояниях от ядра. Теперь эти оболочки разрушены и ничто не препятствует какому угодно сближению частиц плазмы. Поэтому высокотем­ пературная плазма может быть «спрессована» значитель­ но больше, чем нейтральные атомы, из которых она об­ разовалась.

Другой загадкой была природа источника энергии, за счет которой поддерживается столь высокая темпера­ тура внутри Солнца и звезд и осуществляется их излуче­ ние. В настоящее время разгадка уже найдена, и кроет­ ся она в особенностях поведения вещества в состоянии плазмы при сверхвысоких температурах.

Основную часть вещества Солнца и звезд составляет

больше, чем масса одного ядра гелия. Если бы в резуль­ тате каких-либо ядерных реакций из четырех протонов могло образоваться одно ядро гелия, то избыточная мас­ са превратилась бы согласно закону Эйнштейна в энер­ гию. В данном случае при образовании одного ядра ге­ лия выделилось бы 27 Мэе,

50

Однако пока что такая мысль о превращении водоро да в гелий выглядит весьма фантастично, и вот по каким причинам.

1) Ядро гелия состоит, как известно, из двух прото­ нов и двух нейтронов, тогда как исходным материалом в рассматриваемом нами случае являются четыре протона. Тем не менее путем длительных поисков и подбора, основанных на данных ядерной физики, ученым удалось составить такие циклы ядерных реакций, в которых че­ тыре протона, обладающих достаточно большими энер­ гиями, действительно могут образовать одно ядро гелия. Один из возможных вариантов этой реакции (так назы­ ваемый протонно-протонный цикл) записывается в виде следующей цепочки реакций:

В первой реакции два протона (Н1), объединяясь вместе, образуют ядро тяжелого водорода — дейтерия (О2). Избыточный положительный заряд при этом уносится положительно заряженной частицей-позитроном (Р+). Вероятность того, чго при столкновении двух протонов эта реакция действительно совершится, очень мала, од­ нако, учитывая огромный объем Солнца, плотность про­ тонов в его недрах и время, отпущенное природой на со­ вершение этой реакции, можно все же полагать, что такие акты слияния протонов в недрах Солнца имеют место.

Вторая реакция совершается легко; в ней образовав­ шееся ядро дейтерия сливается с протоном и появляется легкий изотоп гелия Не3.

61

В последней реакции два встретившихся ядра Не4 объединяются с образованием нормального ядра ге­ лия Не4; при этом выбрасываются два «лишних» про­

тона.

Каждая из этих реакций сопровождается выделением энергии. Наиболее «теплотворной» из них оказывается реакция II. В результате этих реакций из шести прото­ нов образуется ядро гелия; два протона при этом вновь высвобождаются, а общий выход энергии составляет как раз те 27 Мэе, о которых мы говорили выше.

Расчеты показывают, что именно этот цикл является главным источником солнечной энергии. На других — более горячих или более холодных — звездах возможны иные, более сложные циклы ядерных реакций, в которых в качестве ядерного «горючего» могут использоваться ядра как водорода, так и прочих, более тяжелых эле­ ментов.

2) Следующая трудность, с которой мы сталкиваем­ ся, пытаясь объяснить происхождение солнечной энергии за счет ядерных реакций, заключается в том, что для осуществления этих реакций требуется довольно большая начальная энергия взаимодействующих частиц. Потом, после того как ядерная реакция совершится, этот на­ чальный расход энергии будет возмещен сторицей, но сперва необходимо, чтобы ядра имели достаточную энергию для сближения на расстояние, при котором воз­ можно их взаимодействие. При сближении ядер должна преодолеваться сила их взаимного электрического оттал­ кивания — ведь оба ядра несут положительный электри­ ческий заряд.

Для осуществления ядерных реакций в лабораториях ядра разгоняются с помощью специальных ускорителей, а в недрах Солнца и звезд эти реакции происходят за

52