Физика плазмы космического пространства

Елизавета Евгеньевна

Антонова

Лекция 1

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯФОРМУЛУ САХА

ИОНОСФЕРА ЗЕМЛИ

Плазма в солнечной системе

Солнечный протуберанец

Магнитосфера ЗемлиМагнитосфера Земли

Полярные сияния

Система заряженных частиц называется плазмой, если свойства этой системы в

значительной степени определяются коллективным

взаимодействием частиц с самосогласованными

электрическими и магнитными полями.

Харатекрные пространственный и временной масштабы разделения зарядов в плазме, находящейся вблизи

термодинамического равновесия, дебаевский радиус и плазменная частота

T – температура (в единицах энергии m– масса электрона, mi – масса иона

4Ediv 4E r ne TrneeU D ~4~ 22

2124~ neTrD

21221212 44~ nemmTneTt e

1 224p ne m

Число частиц в дебаевской сфере

Плазма называется идеальной, если ND>>1

Вырожденная плазма: >> 31~ nr

Параметр вырождения TTmn Fe ~322

F - энергия Ферми 1 - невырожденная плазма

2/1 Tme

3

3

4DD nrN

Степень ионизации плазмы

ионизация электронным ударом e2AeA

Ионизация излучением eAhA

Каждому из процессов ионизации отвечает обратный процесс – рекомбинация.

Формула Саха

В состоянии термодинамического равновесия концентрация заряженных частиц для идеальной плазмы

f(T)nnn AeA

Квазиклассический вывод формулы Саха

TknnTknn receAioneA2

TkTkTf recion

e2AeA

Число электронов в континууме в интервале импульсов (p, p+dp)

conteiA

Ae dggg

T

E

g

NdN

exp

- статвес основного состояния атома, I – энергия ионизации атома

Ag

E – энергия электрона, отсчитанная от основного состояния атома,

contdg - статвес континуума (число квантовых ячеек в объеме фазового пространства dpdr , равное в силу принципа неопределнности Гайзенберга ) 3/ 2rpdd

- статвес электрона 2eg

ig - Статвес основного состояния иона

AN - число невозбужденных атомов

0

2/322 242/exp mTdppmTp

Полное число электронов в континууме в изотропном случае

rde

mT

g

ggNN

TI

A

eiAe

/2/3

22

dr – объем, приходящийся на один электрон

)(2

2/3

2

/

TfmT

eg

gg

n

nn TI

A

ei

A

Ae

Если отсутствуют двукратно заряженные ионы и газ пространственно однороден, в среднем на один электрон приходится такой же объем, как и на ион:

A

nd /1r

Формула Эльверта

В разреженной плазме часто реализуется случай открытых систем, когда излучение свободно выходит из плазмы (ионизация осуществляется, в основном, при соударениях электронов с атомами, рекомбинация – в основном, с излучением)

TKnnTKnn receAioneA

constTKTKnn ionrecAA //

Структура верхней атмосферы Структура верхней атмосферы и ионосферыи ионосферы

Ионизация и рекомбинация в ионосфере

Ионосферные слои

D: h~50-90 км, ne~102-104 см-3, основные ионы NO+,

и др.2O

E (динамо-слой): h~50-150 км, ne~ 105 см-3, основные

ионы NO+, ,2O

2N

F: F1 на h~50-250 км; F2 на h>250 км, max

концентрация ne~106 см-3 на h~300 км,

основные ионы O+, N+

В слое Е LQtn / Q – скорость ионизации, L – скорость рекомбинации.

Радиативная рекомбинация

O++eO+h, N++eN+h (~10-12 см3/с)Диссоциативная рекомбинация

/ссм10~α N,NeN

O,OeO O,NeNO37-

2

2

3

21

Перезарядка ион-атом

/ссм102~β N,NONO 3121

β2

1

/ссм102~β N,OOO 31122

β2

2

/ссм105~β O,NOON 3103

β2

3

В слое E и нижней части слоя F

2effα nL

22

23221Eeff NONO

NαOαNOαα

nnn

nnnгде

2

221Feff ONO

OαNOαα 1

nn

nn

В верхней части области F1 и в F2 2O ,NOO nnn

nL effβПротоносфера h~700 км и выше, доминируют ионы H+.

Реакция перезарядки OHOH