天然等离子体

外星形式

有人建议宇宙起源于暴力爆炸大约138亿年前,最初由完全电离的氢等离子体组成的火球。撇开这一点不谈,现在宇宙中几乎没有物质不是以等离子态存在的。观测到的恒星也是由等离子体组成的星际以及行星际介质和行星的外层大气。关于宇宙的科学知识主要来自对宇宙的研究电磁辐射由等离子体发射并通过等离子体传播,自20世纪60年代以来,还由太阳系内的太空探测器发射。

在一个明星等离子体被引力束缚在一起,巨大的能源它的发射源于热核聚变内部的反应。热量由内部传递到外部辐射在外层,对流更为重要。在一颗炽热恒星的附近星际介质几乎完全由完全电离的氢组成,被恒星电离紫外线辐射.这样的区域被称为H II区.到目前为止,星际介质中更大的比例是以中性氢云的形式存在的,我们称之为H I区.由于这种云团中的重原子被紫外线辐射电离(或光电离),它们也被认为是等离子体,尽管等离子体的程度电离可能只有万分之一。星际介质的其他成分是尘埃颗粒和宇宙射线,后者由完全剥离电子的高能原子核组成。几乎各向同性速度宇宙射线的分布可能源于与背景等离子体波的相互作用。

在这个等离子体宇宙中磁场.在星际空间中,磁场约为5 × 10−6高斯(高斯的单位)磁场强度)和在星际空间5 × 10−5高斯,而在星系间空间,它们可能低至10−9高斯。这些值与地球的表面大约5 × 10−1高斯。虽然从绝对意义上来说很小,但考虑到涉及的规模,这些领域仍然是巨大的。例如,在实验室中模拟星际现象,磁场约为1015高斯是必要的。因此,这些场在几乎所有天体物理现象中都起着重要作用。在太阳平均表面场在1 ~ 2高斯附近,但会出现磁扰动,如太阳黑子,其中电场在10到1000高斯之间。许多其他恒星也有磁场。场强为10−3高斯星云与各种河外星云有关同步加速器辐射已经被观察到。

日地形式

太阳区域

太阳的可见区域是光球层,它的辐射与地球的辐射大致相同连续体来自5800 K黑体的辐射位于光球层之上的是色球层,这是通过各种原子和离子的线辐射来观测的。色球层之外电晕膨胀成不断吹着的太阳风(见下文),太阳风在穿过行星系时最终遇到星际介质。当月亮遮住明亮的光球层时,可以看到壮观的日冕。在那段时间里太阳黑子的数量最大(称为太阳黑子最大值),以及电晕是非常广泛的,太阳风是激烈的。太阳黑子活动的兴衰周期大约为11年。在17世纪中期和18世纪早期,太阳黑子几乎消失了一段时间蒙德极小期.这个时候正好是小冰期在欧洲,许多关于太阳黑子对气候可能产生的影响的猜想出现了。在树木年轮和湖床沉积中也观察到类似太阳黑子的周期性变化。如果这是真的,那么这种影响很重要,因为它意味着地球的气候是脆弱的。

1958年,美国天体物理学家尤金·帕克证明了描述太阳等离子体流动的方程引力场有一种解决方案允许气体以达到超音速并逃离太阳的引力。解决方案很像火箭喷嘴的描述,在流动中的收缩是类似的大意是重力.帕克预言了太阳的大气会像这个特定的太阳风解决方案所预测的那样,而不是根据其他人提出的太阳风解决方案。20世纪60年代的星际卫星探测器证明了他的解决方案是正确的。

相互作用太阳风还有磁层

太阳风是一种主要由电子和质子组成的无碰撞等离子体,它携带着以超音速和super-Alfvénic速度运动的物质流出。风带走了太阳磁场的延伸,它被冻结在高导电性中流体.在地球区域,风的平均速度为每秒400公里;当它遇到行星的磁场,一个激波锋形成,压力使磁场向太阳一侧压缩,在背风面拉长(地球背风面远离太阳)。的地球磁场因此被限制在一个叫做磁气圈,太阳风是禁止直接进入的。这个空腔在太阳一侧延伸约10个地球半径,在夜晚一侧延伸约1000个地球半径。

在这个巨大的磁场内,一个区域的循环等离子体是由转移动力来自太阳风。等离子体在该区域的边缘平行于太阳风流动,在其内部返回地球。由此产生的系统起次要作用磁流体动力发电机(最主要的是太阳风本身)。两台发电机都能产生约10万伏的电势。太阳风势出现在地球的极帽上,而磁层势出现在地球的极帽上极光椭圆.后者是地球上高能电子和离子沉淀到行星大气层的区域,创造了壮观的景象秀。即使太阳不再闪耀,这种粒子通量的能量也足以作为等离子体的新来源。极光椭圆形变成了一个良导体;大电流沿着它流动,由整个系统的电位差驱动。这些电流通常在1,000,000安培的数量级。

磁层内的等离子体非常热(1 - 1000万K),非常热脆弱的(每立方厘米1-10粒)。粒子被一些有趣的等离子体效应加热,其中最令人好奇的是极光加速过程本身。一个粒子加速器这可能是原型整个宇宙的宇宙加速器都位于极光椭圆上方大约一个地球半径的地方,并通过所有重要的磁场线与极光椭圆相连。在这个区域,极光电子被3到6千伏数量级的电位差所增强,很可能是由一种电场平行于磁力线,并远离地球。这样的磁场很难解释,因为磁力线通常就像几乎完美的导体。极光发生在磁场线上,如果不是因为地球偶极场的扭曲,它将以6-10地球半径的距离穿过赤道面。

在离地球更近的地方,大约4个地球半径内,行星从太阳风中夺取了系统的控制权。在这个区域内,等离子体与地球一起旋转,就像它的大气层与地球一起旋转一样。这个系统也可以被认为是一个磁流体动力发电机,其中大气和电离层等离子体的旋转产生了一个电场,使内磁层围绕地轴旋转。因为这个内部区域与太阳产生的地球昼面接触丰富的电离层中有大量的等离子体,内部区域充满了密集的低温等离子体,形成等离子层。在这样一个星球上木星月球的磁场比地球更大,自转速度也比地球快,因此行星对地球的控制距离地球表面远得多。