Plazma Úvod Elementární procesy Diagnostika plazmatu Výboje Kosmické plazma Aplikace Termonukleární fúze Problémy Využití laserů Současnost a budoucnost Experimenty Laboratoř elementárních procesů Laboratoř procesů ve výboji Laboratoř plazmové chemie Laboratoř nabíjení prachu Rejstřík Autoři

Plazma v kosmu

Mezihvězdný a meziplanetární prostor, stejně jako hvězdy, jsou tvořeny ionizovaným plynem, což ve výsledku znamená, že celých 99 % materiálu ve vesmíru tvoří plazma. Uvnitř hvězd se nachází extrémně husté plazma, jehož koncentrace a rovněž teplota ve hvězdné koroně klesá. Naproti tomu je pořád dost horké, aby mohlo vytvořit takzvaný „hvězdný vítr“. Reakce tohoto větru s magnetickým polem zpomaluje rotaci hvězd. Tato takzvaná hvězdná sféra, je vlastně prostor vyplněný plazmatem a magnetickým tokem pocházejícím z hvězd. Příkladem takovéto hvězdné sféry je heliosféra.

A jak to vypadá v okolí Země? Prostředí se mění směrem od povrchu Země a už ve výšce 80 km (ionosféra) se skládá z ionizovaných částic. Čím více se vzdalujeme od ionosféry, tím více je plyn v mezihvězdném prostředí ionizován. V tomto prostoru začíná postupně dominovat plazma.

Zemská magnetosféra

Magnetosféra Země je část prostoru, kde je pohyb ionizovaných částic pod vlivem magnetického pole Země. Vnější hranici magnetosféry nazýváme magnetopauza; nachází se na vzdálenosti přibližně 10 zemských poloměrů, když uvažujeme směr ke Slunci, na opačné straně se magnetosféra natahuje až za dráhu Měsíce. Poloha magnetoupauzy je dána podmínkou rovnosti tlaku slunečního větru a tlaku magnetického pole Země:

$\rho v^2 = {B^2\over 2\mu}$

(1)

kde ρ je hustota částic ve slunečním větru, v jejich rychlost, B intenzita magnetického pole (na Zemi klesá jako u dipólu, tedy se třetí mocninou vzdálenosti) a μ je permeabilita.

Sluneční vítr je tvořen elektrony a kladně nabitými ionty (95 % H⁺, téměř 5 % He⁺⁺, zbytek těžší ionty). Díky vysoké vodivosti s sebou nese tzv. zamrzlé magnetické pole (při jeho změně dochází ke vzniku proudů, které se toto pole snaží uchovat). Sluneční vítr proudí kolem magnetopauzy, ale nevniká do magnetosféry. Protože se částice slunečního větru pohybují nadzvukovou rychlostí, vzniká na hranici plazmapauzy tzv. rázová vlna (bow shock). Ve vyšších zeměpisných šířkách se pak objevují kaspy (cusps), které oddělují uzavřené siločáry magnetického pole Země od otevřených, pocházejících ze Slunce. V místech kaspů může docházet k průniku nabitých částic do magnetosféry (polární záře).

Rázová vlna na hranici magnetopauzy (zdroj: science.nasa.gov).

Nutnou podmínkou vzniku zemské magnetosféry je magnetické pole Země, které vzniká v magnetohydrodynamickém dynamu v ionizovaném toku uvnitř zemského jádra. Podobný proces se děje i uvnitř ostatních planet. Planety bez magnetického pole (a tedy i bez magnetosféry) nejsou chráněny proti slunečnímu větru buď vůbec (Měsíc), nebo vlastní atmosférou (Mars, Venuše) – v takovém případě se tok slunečního větru zastaví zhruba v místě, kde bude jeho tlak odpovídat tlaku planetární atmosféry (ionopauza).

Obecně se dá říci, že všechny vznikající výše uvedené struktury (bow shock, magnetopauza, …) nejsou stacionární, ale mění se. Důvodem je jednak nestálost slunečního větru, ale stejně tak i proměnnost magnetického pole Země. Při změně jeho intenzity dochází ke změnám prostorové oblasti magnetosféry, při driftu jeho dipólů pak ke změně struktury magnetosféry jako celku.

Kosmická fyzika se zabývá studiem plazmatu, elektromagnetických vln a energetických částic, a to jak teoreticky, tak experimentálně.

Experimentální metody, které využívá, můžeme rozdělit do dvou základních skupin. První tvoří tzv. metody in-situ, kdy jsou měřící přístroje umístěny přímo ve zkoumaném prostředí (rakety, družice), druhou pak tzv. remote metody, kdy je prostředí zkoumáno „na dálku“, a to buď aktivně, kdy měřící zařízení samo vysílá nějaké (pomocné) signály (ionosonda, radary), nebo pasivně, kdy měřící zařízení funguje jen jako přijímač (přijímač, kamera).

Fyzikální veličiny týkající se elektromagnetických vln (intenzita elektrického a magnetického pole) měříme například pulzačními magnetometry (search coil), na saturaci pracujícími flux-gate magnetometry, nejrůznějšími typy elektrických antén nebo pomocí driftu elektronového svazku (E×B drift). Fyzikální veličiny týkající se energetických částic (hustota, energie, druh) pak měříme klasickými metodami jako jsou Langmuirovy sondy, analyzátory s brzdným potenciálem, elektrostatickými analyzátory, polovodičovými detektory a time-of-flight detektory.

Družice

V následující části popíšeme poněkud podrobněji 3 projekty, s jejichž družicemi pracujeme. Družice projektu Cluster (celkem 4 družice) a projektu Double Star (celkem 2 družice) jsou pro nás zajímavé ze dvou hlavních důvodů. V první řadě se jedná o vícedružicové projekty, umožňující tak prostorový detailnější a komplexnější sběr dat, než by bylo možné s jedinou družicí. Dále jsou pak tyto projekty významné tím, že se jedná o nové a technicky velice kvalitní, poskytující zcela unikátní soubor dat. Družice Demeter je významná jednak svou nízko položenou drahou, především pak ale svým zaměřením – jedná se o vůbec první družicový projekt zaměřený primárně na výzkum ionosférických efektů spojených se seismickou činností na Zemi.

Projekt Cluster.
Projekt agentury ESA (European Space Agency) zahrnuje čtyři identické satelity – Salsa, Samba, Tango a Rumba – které se pohybují v uzavřené formaci (čtyřstěn) a studují interakci mezi slunečním větrem a zemskou magnetosférou ve třech dimenzích. Každý satelit nese soubor jedenácti měřících přístrojů určených ke studiu elektrických a magnetických polí, elektronů, protonů, iontů a vln v plazmatu. Družice z projektu Cluster I byly zničeny při explozi jejich nosné rakety Ariane 5 při startu 4. června 1996 (důvodem selhání bylo zřejmě přejmutí softwaru z Arianu 4 a chyba v něm, která se projevila právě při trajektorii Ariane 5). Cluster II je zopakování původního projektu a používá dokonce některé z původních rezervních částí. Vypuštění proběhlo tentokrát na 2 rozdílných nosičích, a to 16. června 2000 (Salsa, Samba) a 9. srpna 2000 (Tango, Rumba); hmotnost každého satelitu je 1200 kg.

Formace čtyř satelitů Cluster II (zdroj: sci.esa.int).
Projekt Double Star.
Tento projekt tvoří dva satelity, první z nich byl vypuštěn 29. prosince 2003 a druhý 25. července 2004. Na tomto projektu spolupracují Evropské země a Čína. Rovníkový satelit DSP-E se pohybuje po eliptické oběžné dráze. Jeho vzdálenost od povrchu Země se pohybuje mezi 550 km a 67 000 km. Rovina dráhy svírá se zemským rovníkem úhel 28,5°. Druhý, polární satelit DSP-P, obíhá Zemi po dráze skloněné vůči rovníku o 90°. Jeho vzdálenost od povrchu Země je 350–25 000 km.
Každá z družic má hmotnost 330 kg. Cílem projektu je studium přepojování magnetických siločar, studium lokálních spouštěcích mechanizmů magnetosferických bouřek, studium procesů jako urychlování částic, difúze, vlny v plazmatu.

Dráha obou satelitů DSP (zdroj: sci.esa.int).

Projekt Demeter.
Demeter je mikrosatelit (hmotnost 110 kg) s nízkou výškou letu (800 km) a polární drahou, projektovaný Francouzskou národní vesmírnou agenturou (CNES). Jejím hlavním úkolem je studovat perturbace v ionosféře, které jsou spojeny se seismickou aktivitou; mezi další cíle pak patří globální studium elektromagnetických emisí v okolí Země. Mnoho laboratorních experimentů, stejně jako satelitních pozorování, ukazuje, že existuje souvislost mezi elektromagnetickými emisemi a zemětřesnou činností. Přesto doposud nebyla sestrojena žádná družice zaměřená čistě na studium tohoto jevu. Očekávání od tohoto projektu jsou značná a zapojilo se do něj mnoho dalších zemí. Pokud se totiž ukáže a prozkoumá jasná souvislost mezi seismickou činností a jevy pozorovanými v ionosféře Země, kde se družice pohybuje, mohlo by měření na družicích sloužit jako krátkodobá předpověď seismické aktivity.

Prachové plazma

Jak již bylo zmíněno, zajímavým prostředím, které se zkoumá na naší katedře je prachové plazma, vyskytující se jak ve vesmíru, tak i na zemi. Je tvořeno částicemi o rozměrech v řádu nanometrů až jednotek milimetrů a o hmotnostech od 10⁻²¹ gramů až do jednotek miligramů. Prachová zrna jsou v plazmatu nabíjena na různý povrchový potenciál, a tudíž jsou ovlivňována elektrickým i magnetickým polem. Kolem nabitého tělesa se v plazmatu vytvoří vrstva prostorového náboje (Debyeova stínící vrstva). Je-li její tloušťka větší než vzdálenost zrn, zrna na sebe působí i Lorentzovou silou a vykazují kolektivní chování. Při malých koncentracích zrn jsou naopak vzájemně odstíněna.

Mezi základní nabíjecí procesy prachových zrn patří záchyt elektronů a iontů, fotoemise, sekundární elektronová emise, termoemise a autoemise. Míra důležitosti jednotlivých procesů je dána vlastnostmi obklopujícího prostředí i složením a rozměry zrn.

Každý nabíjecí proces lze popsat jako proud nabitých částic, které dopadají na povrch zrna nebo z něj odcházejí. Oba tyto proudy závisí na povrchovém potenciálu zrna, přičemž rovnovážný stav nastane tehdy, když se všechny proudy vyrovnají. V meziplanetárním prostoru je kromě záchytu částic plazmatu (tj. elektronů či iontů) dominantním procesem fotoemise vlivem UV složky záření Slunce. Sekundární elektronová emise se uplatní v oblastech s energetickými částicemi, např. v horkém plazmatu zachyceném v magnetickém poli planet.

Jak je vidět z tohoto stručného nástinu, chování prachového plazmatu je úzce spjato s fyzikálními vlastnostmi prachových zrn. K dalšímu rozvoji poznání v tomto oboru je nutné lépe porozumět jednotlivým nabíjecím procesům, které je však v přirozeném prostředí obtížné od sebe oddělit. Proto se provádějí laboratorní experimenty nebo počítačové simulace, které dovolují zkoumat dílčí nabíjecí procesy v definovaných podmínkách.

<< Předchozí (Výboje)

[Nahoru]

Další (Aplikace) >>