Пылевая плазма

Плазма и пыль – это основные составляющие Вселенной. Взаимодействие между  ними открывает новую интересный объект исследования – пылевую плазму– среду, содержащую кроме обычных микрочастиц (электронов и ионов) заряженные частицы конденсированного вещества – пылинки. Для обозначения таких сред используется также термин «комплексная плазма».

Первичный толчок к изучению свойств пылевой плазмы явились данные, полученные космическими аппаратами (КА) Вояджер в непосредственной близости от колец Сатурна в  1980-1982 г.г. Снимки, переданные Вояджерами на Землю, выявили явления, которые невозможно было объяснить на основе чисто гравитационных сил. Одним из самых интересных примеров такого рода явлений явились так называемые спицы - радиально вытянутые неоднородности в области самого широкого В кольца Сатурна. Они вращались вокруг планеты, сохраняя свою форму подобно спицам обыкновенного колеса, со скоростью  близкой к скорости коротирующей с магнитным полем плазмы (Рис.1).  Исследователи немедленно предположили, что мельчайшие частицы пыли несут электрический заряд и могут активно взаимодействовать не только с гравитационным, но и с магнитным полем планеты.

Примерами пылевой плазмы в Солнечной системе являются планетарные кольца и пылевой диск в окрестности Солнца, ответственный за зодиакальный свет, плазменные образования вокруг комет, прежде всего хвосты комет, а также серебристые облака, наблюдаемые в полярной тропосфере Земли. Другими астрофизическими объектами, содержащими пылевую плазму, являются межзвездные облака. Пылевая плазма наблюдается и в экспериментальных и технологических условиях - в термоядерных установках с магнитным удержанием, в установках по производству полупроводниковых приборов и плазме газового разряда (например, при распылении электродов). В последние годы пылевая плазма стала предметом тщательного изучения в лабораторных условиях - пылевые частицы преднамеренно вводятся в газоразрядную плазму и таким образом моделируются различные пылевые конфигурации. На рисунках 1-5 даны примеры плазменно-пылевых образований в космических и лабораторных условиях.  Широкая распространенность плазменно-пылевых систем в природе, а также ряд уникальных свойств (простота получения, наблюдения и управления параметрами, возможность измерений на кинетическом уровне) и необычных свойств (открытость системы, флуктуации заряда пылинок, высокая диссипативность, способность к самоорганизации и образованию упорядоченных структур, волновые явления) делают пылевую плазму чрезвычайно привлекательным и интересным объектом исследования.

Рис.1. Фотография «спиц» в кольцах Сатурна, переданная  КА Вояджером 2  22 августа 1981 г. Считается, что эти радиальные неоднородности в кольцах представляют собой пространственно-локализированные облака мелких (субмикронных и микронных) заряженных пылинок, движение которых определяется взаимодействием с магнитным полем планеты.

Рис.2. Серебристые облака над озером Сайма, Финляндия. Такие облака возникают в мезосфере под мезопаузой (на высоте 80-85 км над поверхностью земли), они видимы в глубоких сумерках. Облака образованы мельчайшими частицами (диаметр до сотен нанометров) кристаллического льда, которые обладают значительными зарядами (до сотен электронов) и наряду с ионосферными электронами и ионами образуют пылевую плазму.

Рис. 3. Пространство между звездами заполнено очень разреженной слабо-ионозировааной плазмой и мелкими пылевыми частицами. Холодные (T=10-100 K) и плотные облака (с плотностью нейтрального газа >100 частиц в куб. см) называются межзвездными облаками и представляют собой один из примеров пылевой плазмы в космосе.

a)                                                                   б)

Рис.4.Пылевая плазма в лаборатории.  (а) Типичный вид плазменного разряда (голубое зарево) и пылевые частицы, левитирующие у нижнего электрода и освещенные красным лазером (б) Горизонтальное сечение кристаллической гексагональной структуры, полученной в приэлектродной области ВЧ-разрядах Показана область 6.1х4.2  , содержащая около 400 частиц диаметром 6.9 мкм (Институт внеземной физики им. М. Планка, Гархинг, Германия).

Одним из основных вопросов в изучении пылевой плазмы является механизм зарядки пылевых частиц, который зависит от конкретных физических условий в окружающей среде. В плазме пылинки как правило заряжаются отрицательно в связи с тем, что электроны гораздо подвижней ионов и электронный ток намного превышает ионный ток на частицу. Типичный заряд микронных частиц составляет несколько тысяч электронов. Заряд пылевых частиц может стать положительным из-за ультрафиолетового облучения частиц и последующей фотоэлектронной эмиссии с поверхности частицы. В термической плазме заряд частиц может быть как положительным из-за термоэлектронной эмиссии с поверхности частицы, так и отрицательным из-за потока электронов на пылинки. В ядерно-возбуждаемой плазме поток электронов заряжает частицу отрицательно, но вторичная электронная эмиссия может изменить знак заряда на противоположный. Таким образом, пылевая компонента может значительно влиять на ионизационное равновесие в плазме. Более того, заряд пылинок не является фиксированным и может изменяться в пространстве и во времени из-за вариаций внешних условий. Кроме того, заряд пыли флуктуирует даже при постоянных параметрах окружающей среды, поскольку зарядка сама по себе является стохастическим процессом.

Пылевые частицы, приобретая электрический заряд, становятся дополнительной компонентой плазмы, и их присутствие существенно сказывается на коллективных процессах среды. Пылинки могут не только модифицировать, но и определять спектр колебаний, влиять на эффекты затухания и неустойчивости волновых процессов. Так, плазменная частота пыли за счет очень большой массы пылинок оказывается на несколько порядков меньше ионной плазменной частоты. Это приводит к существованию новой ветви колебаний – пылевого звука, где пыль выступает как инерционная компонента, подобно тому, как ионы ведут себя в ионном звуке. Благодаря низкой частоте (обычно 10—100 Гц) пылезвуковые колебания особенно привлекательны с экспериментальной точки зрения. На рисунке 5 показана типичная картина бегущих пылезвуковых волн, возникающих самопроизвольно при определенных условиях в газовом разряде постоянного тока.

Рис.5.  Волны плотности пыли наблюдались в облаке каолиновых частиц (средний размер частиц порядка одного мкм и масса порядка   г). Цилиндрическое облако с размерами 3см х5см удерживалось в анодной области разряда постоянного тока (газ аргон). Самовозбуждение волн происходило при давлениях газа 10-15 Ра.

Вследствие большого заряда пылевых частиц потенциальная энергия их электростатического взаимодействия может превышать тепловую энергию пылинок. Тем самым появляется возможность ближнего порядка и даже кристаллизации в системе пылевых частиц.  Экспериментально упорядоченные системы пылевых частиц впервые наблюдались в высокочастотном емкостном разряде в середине 90-х годов в Институте внеземной физики им. М. Планка (Гархинг, Германия). На рисунке 4б показано горизонтальное сечение полученного плазменного кристалла. Открытие пылевого кристалла послужило толчком к бурному росту исследований в области лабораторной пылевой плазмы, который продолжается и по сей день. Большое значение для развития физики пылевой плазмы имеют эксперименты, выполненные на борту Международной космической станции (МКС) в рамках экспериментальной программы «Плазменный кристалл». В отсутствие гравитации удается существенно уменьшить влияние электрических полей, которые необходимы в земных условиях для левитации пылинок и вызываемой этими полями сильной анизотропии плазмы. Параллельно с лабораторными экспериментами растет число исследований в области астрофизических приложений пылевой плазмы. Эта активность стимулируется последними наблюдениями колец Сатурна КА Кассини и открытиями, сделанными вблизи основного источника пыли внешних областей колец – спутника Энцелад.

Пылевая плазма является бурно развивающейся областью исследований, включающей в себя фундаментальные вопросы физики плазмы, астрофизики, физики твердого тела, гидродинамики, кинетики фазовых переходов а также прикладные проблемы (нанотехнологии, плазменные технологии, новые материалы).  Сотрудники РИНАНУ стоят у истоков развития этого нового научного направления, им принадлежат пионерские работы по динамике пылинок в магнитосферах планет гигантов, волновым явлениям в пылевой плазме, и учету самогравитации. В настоящее время в сотрудничестве с зарубежными специалистами продолжаются активные исследования в области как лабораторной, так и космической пылевой плазмы.

История развития исследований пылевой плазмы в РИНАНУ

1981-1983 – Движение заряженных пылевых частиц под действием гравитационных и электромагнитных сил в планетных магнитосферах. (П. В. Блиох и В. В. Ярошенко)

1983 г.— Пионерская работа по волновым явлениям в пылевой плазме колец Сатурна  (П. В. Блиох и В. В. Ярошенко)

1983-1985 гг.— Линейные и нелинейные волны в кольцах Сатурна с учетом непрерывного спектра размеров пылевых частиц и учет самогравитации, волновая теория спиц (П. В. Блиох и В. В. Ярошенко).

1985-1987 г.г. -- Модификация джинсовской неустойчивости в пылевой плазме,  связь электромагнитных и гравитационных возмущений в магнитоактовной самогравитирующей плазме (П. В. Блиох и В. В. Ярошенко).

конец 1980-х г.— Изучение взаимодействия гравитационных волн и волн плотности заряда в пылевых потоках (П. В. Блиох и В. В. Ярошенко).

начало 1990-х г.— Изучение условий возникновения уединенных волн (солитонов) в самогравитирующей пылевой плазме, их динамики и устойчивости

1995 г.— Выход первой в мире монографии по пылевой плазме- Bliokh, P., Sinitsin, V., Yaroshenko, V. DustyandSelf-GravitationalPlasmasinSpace. Dordrecht: Kluwer Acad. Publ., Dordrecht, 250 pp. (1995).

1996-1999 гг. — Исследование некогерентного рассеяния электромагнитных волн на пылевом звуке, аналогов кинетических эффектов, связанных с непрерывным спектром масс пылевой компоненты плазмы (П. В. Блиох и В. В. Ярошенко).

2000-2001 г. – Изучение электростатических волн в пространственно ограниченной пылевой плазме, нелинейные дисперсионные соотношения и условия возникновения солитонов в пространственно ограниченной пылевой плазме, конверсия электромагнитных и гравитационных возмущений в самогравитирующей плазме (В. В. Ярошенко совместно с коллегами из университетов городов Гент и Лювен, Бельгия) .

2001-2004 гг. – Исследование микропроцессов в пылевой плазме: зарядка пыли в различных условиях и при различных параметрах плазмы, взаимодействия между частицами в плазме, внешние силы, действующие на пылинки в лабораторной пылевой плазме, интерпретация волновых экспериментов в пылевой плазме , выполненных на борту орбитального комплекса «Мир» (В. В. Ярошенко совместно с коллегами из Института внеземной физики им. М. Планка, г. Гархинг, Германия)

2004-2008 г.г –Образование и устойчивость упорядоченных структур в плазме, фазовые переходы в кристаллах, связь и конверсия решеточных волн в пылевых кристаллах, исследовано влияние силы ионного увлечения на динамику пылевых частиц в кольцах планет-гигантов (В. В. Ярошенко  совместно с коллегами из Института внеземной физики им. М. Планка и университета г. Гент)

2009-2010 г.г –Микропроцессы в космической пылевой плазме : зарядка пыли в различных условиях и при различных параметрах плазмы, интерпретация измерений Лэнгмюровкого зонда КА Кассини  в области внешнего кольца Сатурна (В. В. Ярошенко совместно с коллегами из университетов г. Упсала, г. Стокгольм и  Института внеземной физики им. М. Планка)

2011-2012 г. г. – Изучение влияния слабых электрических полей газового разряда на пыле-акустические волны, построение теория силы ионного увлечения в плотных пылевых облаках (В. В. Ярошенко совместно с коллегами из Института внеземной физики им. М. Планка, г. Гархинг, Германия)