Квазинейтральность

Так как плазма является очень хорошим проводником, электрические свойства имеют важное значение. Потенциалом плазмы или потенциалом пространства называют среднее значение электрического потенциала в данной точке пространства. В случае если в плазму внесено какое-либо тело, его потенциал в общем случае будет меньше потенциала плазмы вследствие возникновения дебаевского слоя. Такой потенциал называют плавающим потенциалом. По причине хорошей электрической проводимости плазма стремится экранировать все электрические поля. Это приводит к явлению квазинейтральности — плотность отрицательных зарядов с хорошей точностью равна плотности положительных зарядов (). В силу хорошей электрической проводимости плазмы разделение положительных и отрицательных зарядов невозможно на расстояниях больших дебаевской длины и временах больших периода плазменных колебаний.

Примером неквазинейтральной плазмы является пучок электронов. Однако плотность не-нейтральных плазм должна быть очень мала, иначе они быстро распадутся за счёт кулоновского отталкивания.

 

Ионосфера, радиационные пояса, межпланетная плазма. Неоднородная структура атмосферы ионосферы и космической среды.

Ионосфе́ра — верхняя часть атмосферы Земли, состоящая из мезосферы, мезопаузы и термосферы, сильно ионизирующаяся вследствие облучения космическими лучами, идущими, в первую очередь, от Солнца. Ионосфера состоит из смеси газа нейтральных атомов и молекул и квазинейтральной плазмы. Степень ионизации становится существенной уже на высоте 60 километров и неуклонно увеличивается с удалением от Земли.

На различных высотах в атмосфере происходят последовательно процессы диссоциации различных молекул и последующая ионизация различных атомов и ионов. В основном это молекулы кислорода О₂, азота N₂ и их атомы. В зависимости от интенсивности этих процессов раз-личные слои атмосферы, лежащие выше 60-ти километров, называются ионосферными слоями, а их совокупность ионосферой. Максимальная концентрация заряженных частиц в ионосфере достигается на высотах 300–400 км. На высотах 60–70 км наблюдается слой D, на высотах 100–120 км слой Е, на высотах 180–300 км двойной слой F1 и F2. Основные параметры этих слоев приведены в Таблице 1. Суточные изменения плотности электронной концентрации довольно значительны (рис. 1).

Это средние профили электронной концентрации, поскольку они меняются для различных широт, в зависимости от времени суток и сезонов. Подобные данные необходимы для обеспечения дальней радио-связи. Они используются при выборе рабочих частот для различных коротко-волновых линий радиосвязи. Знание их изменения в зависимости от состояния ионосферы в разное время суток и в разные сезоны исключительно важно для обеспечения надежности радиосвязи.

Радиационный пояс — область магнитосфер планет, в которой накапливаются и удерживаются проникшие в магнитосферу высокоэнергичные заряженные частицы (в основном протоны и электроны).

Магнитосфе́ра — область пространства вокруг небесного тела, в которой поведение окружающей тело плазмы определяется магнитным полем этого тела.

Внутри магнитосферы, как и в любом дипольном поле, есть области, недоступные для частиц с кинетической энергией E, меньше критической. Те же частицы с энергией E<Е_кр, которые все-таки уже там находятся, не могут эти области покинуть. Эти запрещённые области магнитосферы называются зонами захвата. В зонах захвата дипольного (квазидипольного) поля Земли действительно удерживаются значительные потоки захваченных частиц (прежде всего, протонов и электронов).

Радиационный пояс Земли (внутренний) был открыт американским учёным (Джеймсом ван Алленом), а советскими учёными (С. Н. Вернов и А. Е. Чудаков) был открыт внешний пояс в 1958 году и представляет собой, в первом приближении, тороид, в котором выделяется две области:

§ внутренний радиационный пояс на высоте ~ 4000 км, состоящий преимущественно из протонов с энергией в десятки МэВ;

§ внешний радиационный пояс на высоте ~ 17 000 км, состоящий преимущественно из электронов с энергией в десятки кэВ.

Между внутренним и внешним радиационными поясами имеется щель, расположенная в интервале от 2 до 3 радиусов Земли. Потоки частиц во внешнем поясе больше, чем во внутреннем.

Межпланетная среда - плазма, нейтральный газ, пыль, ускоренные частицы и магнитные поля, заполняющие околосолнечное пространство. Основным компонентом межпланетной среды является солнечный ветер - сверхзвуковой поток плазмы, возникающий в солнечной короне. Область, заполненная солнечным ветром, называется гелиосферой (рис.). Положение границы гелиосферы (гелио-паузы) определяется балансом динамических давлений солнечного ветра и межзвёздной среды. Скорость Солнца относительно межзвёздной среды составляет 22-25 км/с. Tак как поток солнечного ветра и поток межзвёздного ионизов. вещества относительно Солнца являются сверхзвуковыми, в области их взаимодействия должны образоваться две ударные волны и оболочка разогретой растекающейся плазмы. Протяжённость гелиосферы и форму её границы с противоположной стороны трудно оценить, так как характер процессов в области взаимодействия недостаточно ясен.

Схема гелиосферы: 1 - Солнце; 2 - область солнечного ветра; 3 - граница гелиосферы (ударная волна); 4 - граница, разделяющая поток плазмы солнечного происхождения и поток межпланетной плазмы (контактный разрыв); 5 - ударная волна в межзвёздной плазме; 6 - поток межзвёздной плазмы (в системе координат, связанной с Солнцем). Стрелками показано направление течения плазмы, широкая стрелка указывает направление движения Солнца относительно межзвёздной среды.

 

 

 

Статистическое описание неоднородностей турбулентной атмосферы. Микроструктура турбулентности атмосферы. Экспериментальные данные и гипотезы Колмогорова. Характеристики турбулентной атмосферы.

ТУРБУЛЕНТНОСТЬ АТМОСФЕРЫ — беспорядочные вихревые движения небольших масс воздуха (скоплений молекул), непрерывно изменяющихся по своему составу. Каждая частица воздуха участвует одновременно как в этих движениях, так и в ламинарном переносе определённого слоя атмосферы. Частицы воздуха, переносимые вихрями из одного слоя атмосферы в другой, приносят с собой свойства (скорость движения, температуру, влагосодержание, твёрдые примеси и т.д.), присущие слою, из которого они вышли. Тем самым турбулентность атмосферы обусловливает перемешивание горизонтальных слоев и способствует увеличению однородности атмосферы. Турбулентность атмосферы воспринимается как порывистость ветра. В приземном слое турбулентность атмосферы резко ослабляется с приближением к земной поверхности (уменьшаются размеры вихрей и переносимых ими масс). В этом слое интенсивность турбулентность атмосферы возрастает от величин, характерных для молекулярных процессов (в пограничном слое толщиной несколько см), до величин, в десятки и сотни тысяч раз больших на вые. 30—40 м (см. Коэффициент турбулентного обмена).

Турбулентность возникает вследствие гидродинамической неустойчивости ламинарного течения, которое теряет устойчивость и превращается в турбулентное, когда так называемое Рейнольдса число Re = l u /n превзойдёт некоторое критическое значение Re_kp (l и u— характерные длина и скорость в рассматриваемом течении, n — кинематический коэффициент вязкости). По экспериментальным данным, в прямых круглых трубах при наибольшей возможной степени возмущённости течения у входа в трубу Re_kp» 2300 (здесь l — диаметр трубы, u — средняя по сечению скорость). Уменьшая степень начальной возмущённости течения, можно добиться затягивания ламинарного режима до значительно больших Re_kp, например в трубах до Re _kp » 50 000. Аналогичные результаты получены для возникновения турбулентности в пограничном слое.

Основной вклад в передачу через турбулентную среду количества движения и тепла вносят макро турбулентности (масштабы которых сравнимы с масштабами течения в целом); поэтому их описание —это основа расчётов сопротивления и теплообмена при обтекании твёрдых тел жидкостью или газом. Для этой цели построен ряд так называемых полуэмпирических теорий турбулентности, в которых используется аналогия между турбулентным и молекулярным переносом, вводятся понятия пути перемешивания, интенсивности турбулентности, коэффициента турбулентной вязкости и теплопроводности. Вследствие чего принимаются гипотезы о наличии линейных соотношений между напряжениями Рейнольдса и средними скоростями деформации, турбулентным потоком тепла и средним градиентом температуры.

Большую роль в полуэмпирических теориях играют гипотезы подобия (см. Подобия теория). А. Н. Колмогоров предложил использовать в полуэмпирических теориях гипотезу подобия, по которой характеристики турбулентности выражаются через её интенсивность b и масштаб l (например, скорость диссипации энергии e ~ b³/ l). Одним из важнейших достижений полуэмпирической теории турбулентности является установление универсального (по числу Рейнольдса, при больших Re)логарифмического закона для профиля скорости в трубах, каналах и пограничном слое: , справедливого на не слишком малых расстояниях y от стенки; здесь (t_w, — напряжение трения на стенке), А и В — постоянные, а , в случае гладкой стенки и пропорционально геометрической высоте бугорков шероховатости в случае шероховатой поверхности.

Микро турбулентности (масштабы которых малы по сравнению с масштабами течения в целом) вносят существенный вклад в ускорения жидких частиц и в определяемую ими способность турбулентного потока нести взвешенные частицы, в относительное рассеяние частиц, в спектр неоднородностей электронной плотности в ионосфере, в флуктуации параметров электромагнитных волн и т.д.

Описание микро турбулентностей базируется на гипотезах Колмогорова, основанных на представлении о каскадном процессе передачи энергии от крупномасштабных ко всё более и более мелкомасштабным компонентам турбулентности. Вследствие хаотичности и многокаскадности этого процесса при очень больших Re режим мелкомасштабных компонент оказывается пространственно-однородным, изотропным и квазистационарным и определяется наличием среднего притока энергии от крупномасштабных компонент и равной ему средней диссипации энергии в области минимальных масштабов. По первой гипотезе Колмогорова, статистические характеристики мелкомасштабных компонент определяются только двумя параметрами: и n; в частности, минимальный масштаб турбулентных неоднородностей (в атмосфере l ~ 10^-1 см). По второй гипотезе, при очень больших Re в мелкомасштабной области существует такой (так называемый инерционный) интервал масштабов, больших по сравнению с l, в котором параметр n оказывается несущественным, так что в этом интервале характеристики турбулентности определяются только одним параметром .