данные о поведении космической плазмы. Возможность прямых модельных экспериментов, в которых сохраняются все основные характеристики плазмы, часто исключается по причинам, которые мы рассмотрим в разд. 4.2.2. Однако несмотря на это ограничение, эксперименты в ряде случаев могут дать ценную информацию об отдельных свойствах космической плазмы. В связи с этим приобретают особую важность поразительные успехи в технике эксперимента, достигнутые в термоядерных исследованиях.

Благодаря развитию космических исследований искусственные спутники и космические зонды в последнее время стали мощным средством изучения космической плазмы. С их помощью стало возможно наблюдать непосредственно межпланетную плазму и плазму экзосферы и даже ставить эксперименты в масштабах нашей планеты ( Проект Аргус [7, 8]). Теоретические исследования, основанные на измерениях при помощи космических зондов, несомненно, явятся одним из наиболее эффективных методов развития космической электродинамики.

4.2. Общее рассмотрение

4.2.1. Электрические разряды

Электрические разряды, осуществляемые в лаборатории, обычно делят на две группы: несамостоятельный разряд, который зависит от внешнего ионизатора , создающего значительную часть ионов и электронов, переносящих ток, и самостоятельный разряд, в котором ионизация производится самим разрядом. При прочих равных условиях вторая группа характеризуется более высокими плотностями тока, чем первая.Это связано с тем, что в лаборатории в нашем распоряжении имеются весьма слабые ионизаторы. В космических условиях, где внешним ионизатором может быть высокая температура, при которой происходит почти полная ионизация вещества, в несамостоятельных разрядах возможны очень большие токи.

Круг явлений, которые можно причислить к классу самостоятельных разрядов, очень широк. Сюда входят таунсендовские разряды, тлеющие разряды, дуги. Кроме того, имеются некоторые особые виды разрядов, такие, как искровой, который по существу представляют собой кратковременную дугу. В большинстве разрядов, происходящих между электродами, можно различить три области:

I. Прикатодная область, в которой электроны, являющиеся основными носителями тока, создаются эмиссией с катода и в результате ионизации газа.

2. Анодная область (не имеющая, впрочем, большого значения), связанная с прохождением тока между разрядом и анодом.

3. Плазма, которая находится между прикатодной и анодной областями. Свойства плазмы можно рассматривать как нечто характерное для газового проводника в отсутствие возмущений, вносимых электродами.

В катодном механизме заложены важные отличительные признаки разрядов различных типов. В таунсендовском и тлеющем разрядах происходит эмиссия с холодного катода; при дуговом разряде температура катода достаточно велика, чтобы возникла термоионная эмиссия (либо достаточно хорошая эмиссия другого происхождения).

Для косл1ической физики механизм холодной эмиссии не представляет особого интереса. В данном случае электродами являются слои ионизованного газа, имеющие более высокую плотность, чем разрядное пространство. Такие слои могут испускать значительное количество электронов, так что в космических условиях катодный механизм во многом напоминает механизм дугового разряда.

Свойства плазмы не связаны непосредственно с катодным механизмом, так что плазма может иметь одинаковые свойства для различных типов самостоятельных и даже несамостоятельных разрядов. Характеристики плазмы определяются плотностью тока. Плотность тока возрастает при переходе от несамостоя-тельйого разряда к таунсендовскому и далее к тлеющему и дуговому разрядам. Хотя в перечисленных выше разрядах происходят в принципе одни и те же процессы, свойства плазмы дуги из-за высокой плотности тока отличаются от свойств тлеющего разряда и тем более от свойств несамостоятельного разряда.

В разрядной трубке плазма может заполнять почти весь объем, за исключением тонкого слоя вблизи стенок. Обычно это имеет место, если давление и разрядный ток малы. Однако при высоком давлении (например, при атмосферном) плазма, как правило, сжимается в тонкий шнур, диаметр которого определяется самим разрядом. Сжатие плазмы происходит также при очень больших токах под влиянием электромагнитных сил (пинч-эффект), см. разд. 5.5.2.

4.2.2. Преобразования подобия

В теории газовых разрядов оказались весьма полезными так называемые законы подобия [1, 9].

Если линейные размеры изменяются в y раз, то общий характер явления останется неизменным, если одновременно изменить другие величины в соответствии с табл. 4.1,

Таблица 4.1

Преобразования подобия для газовых разрядов

Уравнения Максвелла требуют пропорциональности между длиной и временем. Наиболее характерные свойства разряда зависят от взаимодействий между атомами, электронами и квантами. Поскольку эти взаимодействия весьма сложным образом зависят от соответствующих энергий, то мы потребуем, чтобы все энергии, а следовательно, и электростатический потенциал (который определяет кинетическую энергию заряженных частиц) оставались неизменными.

Если линейные размеры / меняются в у раз, то электрическое поле Е должно измениться в раз, чтобы потенциал VEl остался неизменным. Из уравнений Максвелла следует, что величины D, Н и В меняются так же, как и Е. Плотность тока i, которая эквивалентна току смещения dD/dt, должна измениться в раз; это означает, что полный ток / = (Р остается неизменным. Проводимость o{ = i/E) изменится в у раз, индуктивность L, равная V{dl/dt), и емкость С{~1) в у раз. Средняя длина свободного пробега, которая является одной из основных характеристик газового разряда, должна изменяться так же, как линейные размеры, так что энергия, приобретаемая на расстоянии свободного пробега, остается неизменной. Следовательно, плотность газа р, обратно пропорциональная длине свободного пробега, должйа изменяться в у раз.

Законы подобия оказались весьма полезными при общих рассмотрениях, однако ими следует пользоваться с осторожностью, поскольку они касаются только некоторых фундаментальных явлений, и многие второстепенные явления, в отдельных случаях играющие важную роль, не подчиняются этим законам. Например, число заряженных частиц в единице объема пропорционально / и, следовательно, меняется в \~раз, тогда как число молекул пропорционально р и, следовательно, меняется