89. Herzenberg А., Geomagnetic Dynamos, Phis. Trans., Л 250, 543 (1958); Ann. Geophys., 14, 522 (1958).

90. Cowling T. G., Magnetic Field of the Earth, Nature, 183, 937 (1959).

91. Parker E. N., Hydromagnetic Dynamo Models, Astrophys. J., 122, 293 (1955).

92. Babcock H. W., Topology of the Suns Magnetic Field and the 22-year Cycle, Astrophys. J., 133, 572 (1961).

93. Alfven H., On Sunspots and the Solar Cycle, Ark. f. mat. astr. o. fys., 29Л, № 12, (1943).

94. Walen C, On the Vibratory Rotation of the Sun, Henrik Lindstahls Bok-handel, Stockholm, 1948.

95. A1 f V ё n H., On the Origin of Cosmic Magnetic Fields, Astrophys. J., 133, 1049 (1961).

96. L i n d b e r g L., W i t a 1 i s E., J a с о b s e n C, Experiments with Plasma Rings, Nature, 185, 452 (1960).

97. L i n d b e r g L., J a с о b s e n C, On the Amplification of the Poloidal Mag netic Flux in a Plasma, Astrophys. J., 133, 1043 (1961).

98. Bicker ton R. J., The Amplification of a Magnetic Field by a High Current Discharge, Proc. Phys. Soc, 72, 618 (1958).

99. Elsasser W. M., The Hydromagnetic Equations, Phys. Rev., 79, 183 (1950).

100. Ferraro V. C. A., Non-uniform Rotation of the Sun and its Magnetic Field, Mon. Nat. Roy. Astron. Soc, 97, 458 (1937).

Глава 4

Плазма

4.1. Введение

Термин плазма был введен Ленгмюром для обозначения состояния положительного столба электрических разрядов в газах. В настоящее время он используется как синоним понятия ионизованный газ *. Свойства плазмы представляют чрезвычайный интерес для космической физики, поскольку большая часть вещества во вселенной находится в состоянии плазмы, В недрах звезд газ почти полностью ионизован. В фотосфере Солнца (и других звезд) степень ионизации не очень высока; выше фотосферы, в хромосфере и короне, она снова достигает больших значений (почти 100%)- Сишьно ионизованы обширные области межзвездного пространства вокруг звезд, особенно вокруг горячих звезд ранних спектральных классов (области НИ), в то время как на больших расстояниях от звезд степень ионизации мала (области HI). На Солнце и в межпланетном пространстве, а также, возможно, в межзвездном и межгалактическом пространствах плазма пронизана магнитными полями. Вероятно, это имеет место во всех звездах, во всяком случае, это справедливо для магнитных звезд. Поэтому понятно, что в физике плазмы астрофизиков в основном интересует поведение плазмы в магнитном поле.

Рассмотрение магнитной плазмы мы отложим до гл. 5, а настоящую главу посвятим изучению общих свойств плазмы. В обеих главах особое внимание мы уделим существенному различию между плазмой и идеализированной жидкостью , которая была рассмотрена в гл. 3.

Большая часть наших знаний о плазме была получена в результате продолжавшегося целое столетие изучения электрических разрядов в газах и интенсивного десятилетнего натиска в области термоядерных исследований .

Объектом исследования электрических разрядов в газах (см., например, [1-3]) была плазма с малой степенью ионизации (обычно гораздо меньше !%) В экспериментах такая плазма часто создается электрическими токами порядка 1а или менее, но во многих работах использовались токи порядка килоампер.

* Электронный газ в твердом теле также часто называют плазмой.

Исследование спектров излучения электрических разрядов в газах имело огромное значение для выяснения структуры атома. Хотя большинство спектроскопистов рассматривали разряд только как источник света, немало работ было посвящено свойствам самой плазмы. Если плазма создается электрическим током, то нагревание и ионизация производятся электрическим полем. Поэтому, когда Ленгмюр ввел термин плазма , присутствие электрического поля неотъемлемой частью входило в это определение.

Очень важный вклад в теорию ионизованных газов внесли Чепмен и Каулинг [4], которые вывели из кинетической теории некоторые фундаментальные свойства ионизованных газов. Однако многие результаты Чепмена и Каулинга еще не были проверены на эксперименте. Кроме того, эксперименты обнаружили множество таких плазменных явлений, которые не следуют из их теории.

В принципе можно предсказать все свойства электрического разряда, вычислив движение и взаимодействие частиц и квантов излучения. Однако на практике приходится вводить ряд упрощающих предположений, поскольку непосредственный анализ связан с большими трудностями математического характера. В экспериментах неоднократно обнаруживались неожиданные с точки зрения теории явления в газовых разрядах. Следовательно, теорию электрического разряда можно построить только в тесном контакте с экспериментом, и это сотрудничество теории и эксперимента особенно существенно для дальнейшего прогресса физики плазмы.

Термоядерные исследования (см., например, [5, 6]) начали развиваться в нескольких странах в условиях строгой секретности. Целью этих исследований было создание термоядерных реакторов, в которых поддерживалась бы температура порядка 10* °К в дейтериевой и тритиевой плазме. Для этого необходимо, чтобы плазма создавалась в магнитных бутылках , т. е. чтобы магнитное поле удерживало плазму от соприкосновения со стенками сосуда, в котором она заключена. Поэтому основное внимание было сосредоточено на свойствах плазмы в магнитном поле. И несмотря на то, что большинство предпринятых к настоящему времени попыток осуществления термоядерных устройств сталкивалось с неожиданностями в поведении плазмы, термоядерные исследования вызвали бурное развитие как теоретических, так и экспериментальных основ физики плазмы в магнитном поле.

Опыт термоядерных исследований лишний раз показал необходимость тесного контакта между теорией и экспериментом. Поэтому было бы желательным получить экспериментальные