Plazmový vesmír | Co je to plazma?

Učená definice nám o plazmatuPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magnetická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektrického obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství. říká: „Plazma je kvazineutrální soubor částic s volnými nosiči nábojů, který vykazuje kolektivní chování“. Pojďme si ji trochu polidštit. To nejdůležitější je, že se v plazmatu nachází volné nosiče náboje. Atomy jsou alespoň částečně ionizované. Stupeň ionizace nemusí být příliš veliký, je-li plazmový útvar dosti rozsáhlý. Právě volné nosiče náboje plazma zcela odlišují od plynů. Plazma je vodivé a silně reaguje na elektrická a magnetická pole. Druhá vlastnost je kvazineutralita. Požadujeme, aby v makroskopických objemech bylo vždy v průměru stejné množství kladných a záporných částic. Navenek se plazma jeví jako nenabitá tekutina (kapalina či plyn). Požadavek kvazineutrality vyčleňuje z definice plazmatu nabité svazky částic, které mají přece jen poněkud odlišné vlastnosti. Poslední součástí definice plazmatu je jeho kolektivní chování. Tím se rozumí, že plazma je schopné jako celek svými projevy generovat globální elektrická a magnetická pole a na takováto globální pole reagovat. Do plazmatu většinou nezahrnujeme různé svazky nabitých částic (nesplňují kvazineutralitu) a velmi slabě ionizované plyny – například plamen svíčky (nesplňují kolektivní chování). Pojem plazmatu poprvé použil Irwing Langmuir (1881–1957).

Plazmatické skupenství můžeme dělit z nejrůznějších hledisek (dle teploty, hustoty, magnetického pole, různých projevů atd.) Na obrázku je nejtypičtější dělení pro astronomii. Základní druhy plazmatu lze rozdělit i takto:

Běžné plazma: elektronové obaly atomů jsou částečně poškozené (vysokou teplotou nebo tlakem). Volné elektrony jsou zodpovědné za plazmatické vlastnosti látky.
Termonukleární plazma: atomární obaly většinou neexistují, látka je směsicí holých jader a volných elektronů. V tomto stavu je plazma v jádrech hvězd, kde probíhá termojaderná syntéza.
Nukleonové plazma: vysokou teplotou nebo tlakem jsou rozrušena sama jádra atomů. Látka je směsicí elektronů, protonů a neutronů. Nukleonové plazma se ve vesmíru objevilo přibližně v čase 10 mikrosekund po vzniku vesmíru, kdy se z kvarků tvořily první protony a neutrony. Nalezneme ho také ve vnějších obalech explodující supernovy, kde jeho vznik vyvolá stlačení plynů rázovou vlnou. V obálce krátkodobě probíhají překotné termonukleární reakce vedoucí ke vzniku těžkých prvků.
Kvarkové-gluonové plazma: při vysokých energiích jsou rozrušeny samotné nukleony na své konstituenty – kvarky a gluony. V tomto stavu byla látka asi do deseti mikrosekund po vzniku vesmíru a uměle se podařilo tento stav látky vytvořit v CERNuCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří detekce polních částic slabé interakce, příprava antivodíku a vytvoření kvarkového-gluonového plazmatu, pralátky, z níž vznikal vesmír. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web. v roce 2000. Viz AB 12/2004, AB 34/2003.

Za plazma považujeme i některé části ionosféry, zvláště vrstvu F, která odráží radiové vlny a umožňuje radiové spojení odrazem o ionosféru. Plazma se nachází ve Van Allenových radiačních pásechVan Allenovy pásy – jsou tvořeny nabitými částicemi (elektrony, protony a ionty O⁺, He⁺) zachycenými magnetickým polem Země ve vzdálenosti 1,2 až 7 R_Z. V polárních oblastech se odrážejí efektem magnetického zrcadla. Pásy existují dva, vnější složený především z elektronů a vnitřní obsahující kromě elektronů i hmotnější částice, především protony s vysokou energií. Částice v pásech pronikavě září. Jejich energie je od 1 keV do 100 MeV. Nejenergetičtější elektrony se nazývají zabijácké elektrony (killer electrones) a mechanizmus jejich vzniku není zcela jasný. Vnitřní pás objevil James Van Allen z Univerzity v Iowě na základě měření družic Explorer 1 a 3, vnější detekovala sonda Luna 1. Oba pásy jsou mimořádným nebezpečím jak pro kosmické sondy, tak pro člověka.. Sluneční vítrSluneční vítr – proud nabitých částic ze Slunce, které zaplavují celou Sluneční soustavu. Zejména jde o protony, elektrony a alfa částice (jádra hélia). Typická rychlost částic u Země je kolem 500 km/s (rychlost zvuku v tomto prostředí je 50 km/s), teplota 3 eV (30 000 K) a koncentrace několik protonů v cm³. Částice vylétávající podél otevřených siločar mají vyšší rychlost (přibližně 750 km/s) a nazýváme je rychlý sluneční vítr. Sluneční vítr objevil anglický astronom Richard Carrington v roce 1859, kdy bylo za půl dne po slunečním vzplanutí narušeno magnetické pole Země. Pojmenování sluneční vítr pochází od amerického astronoma Eugena Parkera., nepřetržitý proud částic od našeho Slunce, ve kterém se ocitá také naše Země, je také plazmatem. V plazmovém skupenství jsou nitra i atmosféry hvězd, jádra galaxií, mlhoviny a většina objektů ve vesmíru. Na Zemi se s plazmatem setkáváme v kanálech blesků, při různých výbojích a plazma je také uměle vytvářeno a zkoumáno v laboratořích.

Severní část pozůstatku po explozi supernovy v souhvězdí Plachet. K explozi došlo přibližně před 12 tisíci lety. Zobrazená oblast je veliká 2,5 čtverečního stupně. Dobře patrná jsou vlákna typická pro plazmatické prostředí. Zdroj: Don Goldman.

Jaké jsou základní projevy plazmatu? Plazma má tendenci vytvářet lineární a plošné útvary – plazmová vlákna neboli pinče a proudové stěny. V plazmatu dochází k takzvaným driftům – pohybům částic kolmo na magnetická i další silová pole. Plazmatem se může šířit ohromné množství nejrůznějších vln – od magnetoakustických vln, ke kterým patří například známé Alfvénovy vlny, které jsou analogií zvukových vln v plynech až po elektromagnetické vlny mnoha různých modů. Tyto vlny jsou v plazmatu také snadno generovány. V plazmatu dochází k celé řadě nestabilit, které mají za následek například krátkodobé vyzáření značného množství energie doprovázené vznikem některých charakteristických struktur. K plazmatu neodmyslitelně patří vyzařování (rekombinační, brzdné a synchrotronní), vytváření elektrických dvojvrstev, urychlování nabitých částic na značné energie, tekutinové dynamo produkující magnetické pole uvnitř Slunce a planet a mnoho dalších zajímavých jevů.

Jedním z nejdůležitějších parametrů, který určuje chování plazmatu je stupeň ionizace plazmatu (poměr počtu ionizovaných částic vůči celkovému počtu částic). Závisí především na teplotě a lze ho v prvním přiblížení odhadnout ze Sahovy rovnice pro jedenkrát ionizované plazma v termodynamické rovnováze

n_i²/n_n = C T^3/2 exp [−U_i/kT ] ; C ~ 2,4×10²¹ m⁻³,

kde n_i je koncentrace jednonásobných iontů, n_n je koncentrace neutrálních částic, U_i je ionizační potenciál a T je teplota plazmatu. Sahova rovnice je použitelná pro plyny. Někdy se za jistý druh plazmatu považují i pevné látky (například kovy), které mají volné nosiče nábojů a vykazují kolektivní chování. Zde však počet volných nosičů náboje není určen Sahovou rovnicí.

Srážky

V plazmatu dochází také ke srážkám nabitých částic. Charakter srážek i jejich mechanismus je odlišný od srážek neutrálních částic. Při srážce neutrálních částic dochází k prudkým změnám směru pohybu, v plazmatu jsou změny směru, způsobené většinou elektrickým polem (~ 1/r²), méně náhlé.

Srážky v neutrálním plynu a v plazmatu

Střední volnou dráhu můžeme definovat například jako průměrnou vzdálenost, při které dojde k odklonu od původního směru o 90°. S rostoucí teplotou účinný průřez srážek klesá – nabité částice se při vysokých teplotách míjejí velkou rychlostí, tím na sebe vzájemně působí krátkou dobu a odchylky od původních drah jsou malé.
Elektrická vodivost plazmatu je dána charakterem srážek. Vodivost závisí především na teplotě (σ ~ T^3/2) a minimálně na koncentraci plazmatu. Průchodu proudu brání při nízkých koncentracích malý počet nosičů náboje, při vysokých koncentracích velký počet srážek. S rostoucí teplotou vodivost plazmatu roste (u kovů je tomu naopak), protože účinný průřez srážek klesá.
Optická tloušťka plazmatu souvisí se střední volnou dráhou fotonů v plazmatu. Za opticky řídké se označuje plazma takových rozměrů, které jsou srovnatelné se střední volnou drahou elektromagnetického záření, které plazmatem prochází. Opticky husté je takové plazma, jehož rozměry jsou mnohem větší, než je střední volná dráha fotonů, záření intenzivně interaguje s plazmatem (příkladem je nitro Slunce nebo prostředí Velkého třesku).