Сегодня считается, что большинство вещества во Вселенной (99,9%) сосредоточено в виде плазмы — ионизированного газа. Именно из плазмы состоят, например, все звезды и бо́льшая часть межзвездного пространства. Чем отличается плазма от газообразного состояния вещества, ее применение в природе и научных исследованиях, какое отношение плазма имеет к молнии? Об этом на лекции в Библиотеке по естественным наукам РАН (БЕН РАН) рассказал Вячеслав Гришков — кандидат физико-математических наук, сотрудник лаборатории теории плазменных явлений ФИАН.
"Философы античности, начиная с Эмпедокла, утверждали, что мир состоит из четырех стихий: земли, воды, воздуха и огня. Это положение с учетом некоторых допущений укладывается в современное научное представление о четырех агрегатных состояниях вещества. Выходит, что земля — твердое состояние, вода — жидкое, воздух — газообразное, а плазме, очевидно, соответствует огонь. Свойства плазмы изучает физика плазмы", — рассказал ученый.
Газы переходят в плазму при повышении температуры и фиксированном давлении. Горячая плазма почти всегда полностью ионизирована: молекулы газа начинают распадаться на составляющие их атомы, которые затем превращаются в ионы.
"Плазма бывает не только природной, но и искусственной. Например, вещество внутри люминесцентных и неоновых ламп. Плазма земной природы — это молния, огни Святого Эльма, Северное сияние и даже языки пламени. А космическая и астрофизическая плазма — это звезды, солнечный ветер, межзвездные туманности", — приводит примеры Вячеслав Гришков.
Наше Солнце в результате ядерных реакций испускает в окружающую среду огромное количество частиц (электронов, протонов и ядер атома гелия), которые летят со скоростью от 300 км/с. Это и есть так называемый солнечный ветер, который долетает до Земли за несколько суток. Из-за этого ветра Солнце теряет за одну секунду миллион тонн (по массе) своего вещества. Когда упомянутые альфа-частицы солнечного ветра как бы навиваются на магнитные поля Земли на полюсах и попадают в нашу атмосферу, вызывая ионизацию и возбуждение атомов газа в ней, появляется свечение — то самое завораживающее Северное сияние. Кстати, впервые разгадать тайну Полярного сияния удалось Михаилу Ломоносову. Именно он предположил, что природа этого явления электрическая.
Важное отличие плазмы от газообразного состояния вещества — электрическая проводимость. У плазмы она очень высока, а у газа крайне мала. Среди отличий также число сортов частиц, распределение по скоростям, тип взаимодействий.
До сих пор остается до конца не изученной природа шаровой молнии.
"Теорий очень много, причем самых разных, но единой версии пока нет. В 2010 году была выдвинута гипотеза о том, что когда происходит такая молния, образуются некие электромагнитные поля, которые каким-то образом воздействуют на наш мозг и мы видим светящиеся объекты там, где их нет. То есть это своего рода галлюцинация. Но в 2012 году китайские ученые обнаружили в шаровой молнии железо, кремний и кальций — важное отличие от обычной молнии, где светится азот. Возможно после этого научное сообщество более твердо поверило в существование шаровых молний. Первыми опытами можно считать опыты Николы Теслы. Также и Петр Капица, наш выдающийся ученый, изучал этот вопрос. Он получил сферический газовый разряд при атмосферном давлении в гелиевой среде",— рассказал лектор.
Нобелевский лауреат Петр Капица полагал, что шаровая молния подпитывается невидимым каналом линейной молнии. Он называл шаровую молнию редким явлением, не поддающимся систематическому изучению. Проникновение шаровой молнии в замкнутые помещения физик объяснял тем, что шаровые молнии следуют по пути коротковолновых электромагнитных колебаний, распространяющихся либо через отверстия, либо по печным трубами или проводам как по волноводам.
Статья Петра Капицы о природе шаровой молнии.
О Лектории БЕН РАН
Тематические лекции в Библиотеке по естественным наукам РАН — это уникальная возможность окунуться в мир естественных наук и открыть для себя его многообразие. Проводниками в этом интересном путешествии для вас станут ученые ведущих научно-исследовательских институтов Российской академии наук и преподаватели лучших ВУЗов Москвы.
Автор фото в тексте и на главной странице: Rajiv Bajaj / Unsplash
