Плазмоиды — природные и искусственные плазменные образования¶
Плазмоид — самоподдерживающееся, локализованное образование плазмы, обладающее устойчивой структурой и способное перемещаться в пространстве. Термин происходит от слов «плазма» и греч. εἶδος («вид, форма»). Плазмоиды могут возникать как в лабораторных условиях в результате электрических разрядов, так и в природе — в атмосфере, межзвёздной среде и на Солнце.
¶Основные свойства
Плазмоиды представляют собой компактные области ионизованного газа, удерживаемые собственными магнитными полями. Для них характерны:
- Устойчивость — способность сохранять форму на протяжении времени, существенно превышающего характерные времена релаксации плазмы.
- Автономность — перемещение без внешнего воздействия, за счёт внутренней энергии и взаимодействия с магнитным полем.
- Самоорганизация — формирование упорядоченной внутренней структуры (токовых колец, магнитных поверхностей) из хаотического состояния плазмы.
Типичные размеры лабораторных плазмоидов составляют от долей миллиметра до десятков сантиметров, плотность плазмы варьируется в широких пределах — от 10¹⁴ до 10¹⁹ м⁻³.
¶Лабораторные плазмоиды
¶Пинч и сжатие плазмы
Первые эксперименты, приведшие к созданию плазмоидов, связаны с исследованием эффекта пинча — сжатия токового канала в плазме под действием собственного магнитного поля. В 1950-х годах в СССР и США проводились работы по созданию сжатых плазменных конфигураций для целей управляемого термоядерного синтеза. В лаборатории И.К. Кикоина в АН СССР были получены устойчивые плазменные сгустки, названные плазмоидами.
¶Плазменные шнуры и солитоны
При пропускании мощного импульсного тока через газ возникает плазменный шнур, который под действием магнитного давления сжимается в цилиндрический, а затем в сферический плазмоид. Такие образования могут распространяться вдоль электродов или в свободном пространстве. Теоретически плазмоиды описываются как нелинейные волны-солитоны плазмы, устойчивость которых обеспечивается балансом магнитного давления и давления плазмы.
¶Плазмотронные источники
В современной технике плазмоиды используются в плазмотронных установках для нанесения покрытий, наплавки и обработки материалов. Импульсные плазменные ускорители (коаксиальные плазмотроны) генерируют компактные плазменные сгустки, разгоняемые до скоростей 10–100 км/с.
¶Природные плазмоиды
¶Солнечные явления
На Солнце плазмоиды возникают при солнечных вспышках и выбросах корональной массы. Магнитные петли, заполненные горячей плазмой, могут отрываться от солнечной поверхности и перемещаться в межпланетном пространстве. Эти явления изучаются в рамках гелиофизики и космической погоды.
¶Шаровые молнии
Наиболее известным природным плазмоидом считается шаровая молния — светящееся сферическое образование, возникающее во время грозы. Её природа до конца не изучена; существуют десятки гипотез, включая гипотезу о плазмоидной природе шаровой молнии, согласно которой она представляет собой самоорганизованный плазменный сгусток, удерживаемый собственным магнитным полем. Шаровая молния наблюдается редко, воспроизвести её в лаборатории в точности не удалось.
¶Космические плазмоиды
В межпланетной и межзвёздной среде плазмоиды образуются при взаимодействии солнечного ветра с планетными магнитосферами, а также в результате магнитного пересоединения. В плазме ионосферы и магнитосферы Земли фиксируются компактные плазменные структуры, перемещающиеся с высокими скоростями.
¶Теоретические модели
Устойчивость плазмоидов объясняется рядом механизмов:
- Магнитное удержание — токовые кольца создают магнитное поле, препятствующее расширению плазмы.
- Вихревые структуры — вязкое трение и вихревое взаимодействие замедляют диффузию.
- Нелинейные эффекты — самофокусировка плазмы за счёт нелинейности уравнений переноса.
Наиболее разработанной является модель «магнитного сфероидального плазмоида», предложенная в работах советских физиков Л.А. Арцимовича и Б.Б. Кадомцева. Согласно этой модели, устойчивый плазмоид представляет собой сферу с тороидальным токовым контуром внутри, погружённую в внешнее магнитное поле.
¶Применение
- Термоядерные исследования — плазмоиды изучаются как возможная конфигурация для удержания плазмы в термоядерных реакторах.
- Плазменная обработка материалов — напыление твёрдых покрытий, резка, сварка.
- Ракетостроение — импульсные плазменные двигатели, в которых рабочее тело разгоняется в виде плазмоидов.
- Медицина — плазменные источники для стерилизации и обработки тканей.
¶История исследования
Термин «плазмоид» был введён в научный оборот в 1950-х годах в связи с работами по сжатой плазме. В СССР основные исследования проводились в Институте атомной энергии (ИАЭ) под руководством Л.А. Арцимовича. В 1960-е годы были получены первые устойчивые лабораторные плазмоиды и предложены модели их существования. В 1970–1980-е годы интерес к плазмоидам возрос в связи с проектами импульсных плазменных двигателей для космических аппаратов.
Источники:
- Арцимович Л.А. «Управляемые термоядерные реакции»
- Кадомцев Б.Б. «Динамические неоднородности в плазме»
- Баранов В.В., Левченко В.В. «Искусственные плазмоиды в лаборатории и космосе»
- Справочник по физике плазмы (под ред. В.Е. Голанти, А.В. Захарова)