Еще в школе мы узнаем, что вещества могут иметь четыре состояния — твердое, жидкое, газообразное и плазма. С тремя первыми мы имеем дело ежедневно. С плазмой намного реже, несмотря на то, что из нее, как утверждает наука, состоит 99,9 процента материи во Вселенной (не считая той, которую называют темной).
В физике плазмой называют вещество, которое хорошо проводит электричество и состоит из примерно одинакового числа плюсов и минусов — положительно и отрицательно заряженных частиц. Возникает эта субстанция, когда обычный газ ионизируют, то есть заставляют его атомы терять или набирать электроны.
Отрицательный заряд в плазме обычно имеют электроны — у каждого из них заряд минус один. А положительный заряд достается атомам или молекулам, которые эти самые электроны потеряли. Бывает и так, что электроны, расставшиеся с одними атомами, прилипают к другим — вот тогда и получается плазма. В ней много как положительных, так и отрицательных ионов. Самый экзотичный вариант получается, когда заряжаются пылинки, создающие так называемую пылевую плазму.
Главная ее особенность в том, что на нее, кроме земной силы (гравитации), мощно действуют электричество и магнетизм. А так как эти силы действуют на очень больших расстояниях, плазма ведет себя, можно сказать, коллективно. Это похоже на состояние жидкости, хотя частицы в плазме сталкиваются друг с другом редко.
В лабораторных условиях существует три основных способа превращения газа в плазму. Термический основан на нагреве вещества до экстремально высокой температуры. Растет она, поднимается и кинетическая энергия атомов. Она приводит к более интенсивным и частым столкновениям, в результате которых происходит отрыв электронов от атомных ядер. Такой механизм присущ звездам, включая Солнце. В их глубине температура достигает миллионов градусов, что и создает условия для максимальной ионизации вещества.
Второй способ — воздействие электрическим разрядом. В лабораторных условиях этот метод применяется чаще термического, так как вызвать электроразряд проще, чем нагрев газа до сверхвысоких температур.
Третий вариант — облучение. Его эффективность зависит от плотности среды. В плотном газе ионизированные атомы быстро приходят в прежнее состояние и восстанавливают нейтральность. Но в разреженной среде этот процесс происходит надежнее.
Физика полагает, что наша Вселенная зародилась около 13,8 миллиарда лет назад в результате Большого взрыва и сначала представляла собой раскаленный шар из полностью ионизированной водородной плазмы. Так это или нет, но сегодня почти вся материя в космосе находится именно в плазменном состоянии. Звезды, межзвездная среда, атмосфера планет — все это плазма. Даже наши знания о Вселенной мы получаем благодаря исследованиям излучения, которое испускает и пропускает плазма.
В звездах ее удерживает гравитация, а энергию она черпает из термоядерных реакций в недрах. Вокруг горячих звезд межзвездная среда ионизирована ультрафиолетом. Таким областям присвоено название H II. А в облаках нейтрального водорода (области H I) ионизирована лишь малая часть атомов, примерно одна на десять тысяч. Но это тоже считается плазмой. Прибавьте сюда же пылинки и космические лучи — ядра атомов, полностью лишенные электронов, вот вам и картина плазменной Вселенной.
Везде в этой плазме действуют магнитные поля. В межзвездном пространстве они слабые, в межпланетном — немного сильнее, а в межгалактическом они почти прозрачные. Для поверхности Земли, где поле в тысячи раз мощнее, этот космический магнетизм кажется едва заметным. Но в космических масштабах он играет важную роль. Настолько важную, что моделирование межзвездных процессов в лаборатории потребовало бы полей несопоставимо большей силы, которую человечество создавать еще не научилось.
Где же можно увидеть природную плазму на Земле? Это полярное сияние. Видимый слой Солнца (фотосфера) греет Землю как черное тело с температурой почти 6000 кельвинов. Выше лежит хромосфера, а за ней — корона, которая плавно переходит в солнечный ветер. Им называют поток плазмы, постоянно идущий от Солнца во все стороны и достигающий даже границ Солнечной системы. Активность Солнца имеет 11-летний цикл. Когда солнечных пятен много, корона шире, а ветер сильнее. В истории Земли бывали периоды, когда пятна почти исчезали. И тогда в Европе случился малый ледниковый период.
Солнечный (плазменный) ветер достигает окрестности Земли на скорости, обгоняющей звук и магнитные волны. Он наполнен в основном электронами и протонами, представляя собой часть солнечной атмосферы. На границе с магнитным полем Земли начинается его взаимодействие с плазмой, что рождает полярные сияния и магнитные бури.
Еще одно естественное состояние плазмы — молния. В момент разряда электроток пробивает воздух, нагревая его до десятков тысяч градусов, в пять раз горячее поверхности Солнца. От такого нагрева молекулы газа разлетаются на микрочастицы, теряют электроны и превращаются в ионизированную плазму, которая и дает яркую вспышку.