Plasmoids

Плазмоид — это квазистабильное, пространственно ограниченное образование из плазмы и магнитных полей, способное к самоподдержанию и обладающее целостной структурой. Термин был введён в 1956 году американским физиком Уинстоном Боствиком для описания плазменных сгустков, удерживаемых собственным магнитным полем. В отличие от обычной плазмы, которая стремится расшириться и заполнить весь доступный объём, плазмоиды существуют как отдельные, часто изолированные объекты, демонстрируя свойства, сходные с поведением живых систем или элементарных частиц.

История открытия и изучения

Первые наблюдения плазмоидов относятся к экспериментам по управляемому термоядерному синтезу. В 1950-х годах, при работе с магнитными ловушками (например, стеллараторами и токамаками), учёные зафиксировали образование компактных плазменных сгустков, которые не смешивались с окружающей средой. Уинстон Боствик, работавший в Ливерморской национальной лаборатории США, в 1956 году впервые описал плазмоид как «магнитную бутылку», удерживающую плазму.

В 1960-х годах интерес к плазмоидам возрос в связи с космическими исследованиями. Спутники и зонды регистрировали в магнитосферах планет и в солнечном ветре структуры, напоминающие плазмоиды. Особенно значимыми стали данные, полученные с помощью аппаратов «Вояджер» и «Галилео», которые обнаружили плазмоиды в хвостах магнитосфер Юпитера и Сатурна.

В 1970-1980-х годах советские и американские учёные активно изучали плазмоиды в лабораторных условиях. В Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова (Москва) были проведены эксперименты по созданию долгоживущих плазменных образований в магнитных полях. В 1990-х годах с развитием вычислительной техники стало возможным компьютерное моделирование плазмоидов, что позволило уточнить их внутреннюю структуру и динамику.

Физические основы и классификация

Плазмоид представляет собой равновесную конфигурацию, в которой давление плазмы уравновешивается магнитным давлением. Основными параметрами, определяющими его свойства, являются температура, плотность, магнитное поле и скорость истечения.

Основные типы плазмоидов

• Сферические (тороидальные) плазмоиды: Имеют форму тора или сферы. Магнитное поле в них замкнуто, что обеспечивает устойчивость. Пример — плазменные кольца, получаемые в некоторых типах плазменных пушек.
• Цилиндрические (шнуровые) плазмоиды: Вытянутые образования, часто наблюдаемые в плазменных шнурах (например, в канале молнии или в экспериментах по Z-пинчу). Удерживаются продольным магнитным полем.
• Дискообразные плазмоиды: Имеют форму сплюснутого диска. Встречаются в космической плазме, например, в аккреционных дисках вокруг черных дыр.
• Вихревые плазмоиды: Обладают вращательным движением плазмы, что создаёт вихревую структуру. Такие образования могут быть связаны с шаровой молнией.

Классификация по способу удержания

• Магнитные плазмоиды: Удерживаются собственным магнитным полем. Это наиболее распространённый тип.
• Электростатические плазмоиды: Удерживаются электрическим полем, возникающим из-за разделения зарядов. Встречаются в пылевой плазме.
• Гравитационные плазмоиды: Удерживаются гравитацией. К ним относятся звёзды и ядра планет.

Применение и значение

Плазмоиды имеют важное значение как в фундаментальной науке, так и в прикладных областях.

В науке

• Изучение плазмы: Плазмоиды служат модельными объектами для исследования свойств плазмы, включая турбулентность, перенос энергии и магнитное пересоединение.
• Космофизика: Изучение плазмоидов в магнитосферах планет помогает понять механизмы передачи энергии от солнечного ветра к атмосферам планет, а также процессы формирования полярных сияний.
• Термоядерный синтез: В токамаках и стеллараторах плазмоиды могут возникать как паразитные образования, нарушающие удержание плазмы. Их изучение необходимо для повышения эффективности термоядерных реакторов.

В прикладных областях

• Плазменные двигатели: В некоторых типах электрореактивных двигателей (например, в плазменных ускорителях) используются плазмоиды для создания тяги. Такие двигатели применяются на космических аппаратах для коррекции орбиты и межпланетных перелётов.
• Плазменная медицина: Исследуется возможность использования плазмоидов для стерилизации инструментов, лечения ран и уничтожения раковых клеток.
• Материаловедение: Плазмоиды могут использоваться для нанесения тонких плёнок, модификации поверхности материалов и синтеза наночастиц.
• Военные технологии: В ряде стран ведутся разработки плазменного оружия (например, плазменных пушек), основанного на генерации и направлении плазмоидов. Однако массового применения такие системы пока не нашли.

Интересные факты

• Шаровая молния: Многие исследователи считают, что шаровая молния является природным плазмоидом, который может существовать от нескольких секунд до нескольких минут. Однако точная физическая природа этого явления до сих пор остаётся предметом дискуссий.
• Солнечная корона: В солнечной короне наблюдаются плазмоиды — так называемые «корональные дожди» и «плазменные пузыри», которые отрываются от Солнца и уносятся солнечным ветром.
• Искусственные плазмоиды: В лабораторных условиях удаётся создавать плазмоиды, существующие до нескольких секунд. Рекордные показатели достигаются в установках с сильным магнитным полем.
• Плазмоиды в атмосфере: Существуют гипотезы, связывающие некоторые атмосферные явления (например, огни святого Эльма или полярные сияния) с плазмоидами, но убедительных доказательств этому нет.

Критика и нерешённые вопросы

Несмотря на десятилетия исследований, многие аспекты физики плазмоидов остаются неясными. Главная проблема — их нестабильность. Большинство плазмоидов в лабораторных условиях существуют доли секунды, что затрудняет их детальное изучение. Кроме того, существует множество гипотез о природе шаровой молнии, но ни одна из них не получила всеобщего признания. Критики также указывают на то, что некоторые сообщения о наблюдении плазмоидов в космосе могут быть артефактами измерений или результатом неправильной интерпретации данных.

Источники

1. Боствик У. Х. «Плазмоиды» // Успехи физических наук, 1958.
2. Франк-Каменецкий Д. А. «Плазма — четвёртое состояние вещества». — М.: Атомиздат, 1975.
3. Арцимович Л. А. «Управляемые термоядерные реакции». — М.: Физматгиз, 1961.
4. Кадомцев Б. Б. «Коллективные явления в плазме». — М.: Наука, 1976.
5. Чандрасекхар С. «Гидродинамика и магнитогидродинамика». — М.: Мир, 1964.
6. Райзер Ю. П. «Физика газового разряда». — М.: Наука, 1987.
7. Смирнов Б. М. «Физика плазмы». — М.: Энергоатомиздат, 1993.
8. Материалы научных конференций по физике плазмы (Москва, Санкт-Петербург, 2000–2023).