низкотемпературная плазма

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА

Содержание:
1. Общие свойства Н. п.
2. Способы создания Н. п.
3. Процессы в Н. п.
4. Неустойчивости и структуры Н. п.
5. Применение Н. п.
6. Н. п. земной атмосферы и Солнца.

1. Общие свойства Н. п.

Низкотемпературной наз. плазму, у к-рой ср. энергия электронов меньше характерного потенциала ионизации атома (< 10 эВ); темп-pa её обычно не превышает 10⁵К. Плазма с более высокой темп-рой наз. горячей или высокотемпературной. Обычно Н. п. слабоионизованная, т. е. число нейтральных атомов и молекул значительно превышает число заряж. частиц - электронов и ионов. Отношение числа ионизов. атомов к полному их числу в единице объёма наз. степенью ионизации плазмы. Поскольку кулоновское взаимодействие между заряж. частицами значительно сильнее, чем взаимодействие между нейтральными частицами, и это взаимодействие дальнодействующее, то наличие заряж. частиц в Н. п. в большой степени определяет её свойства, в т. ч. электрические и эл--магнитные. Много видов Н. п. существует в природе (рис. 1), создают Н. п. и в разл. спец. лабораторных системах (рис. 2). Н. п. в соответствии с физ. свойствами может быть стационарной, нестационарной, равновесной, неравновесной, идеальной, неидеальной.

Рис. 1. Низкотемпературная плазма в природе.

Рис. 2. Параметры лабораторной низкотемпературной плазмы.

Стационарная и нестационарная Н. п. Стационарная Н. п. обладает большим временем жизни по сравнению с временами релаксации в ней. Нестационарная (импульсная) Н. п. живёт огранич. время, определяемое как временем установления равновесия в плазме, так и внеш. условиями. Плазма, время жизни к-рой превышает характерное время переходных процессов, наз. квазистационарной. Напр., плазма в канале молнии образуется и поддерживается в результате прохождения через него электрич. тока. Характерное время установления равновесия в проводящем канале ~10^-5 с, характерное время расширения (т. е. разрушения) этого проводящего канала ~10^-3 с, поэтому в течение прохождения осн. части тока через проводящий канал плазму в нём можно считать квазистационарной.

Равновесная и неравновесная Н. п. Низкотемпературная плазма наз. равновесной, если её компоненты находятся в термодинамич. равновесии, т. е. темп-ра электронов, ионов и нейтральных частиц совпадает. В Н. п. легко создаются неравновесные условия в результате селективного действия внеш. электрич. полей: электрич. энергия от них передаётся заряж. частицам, а те отдают её частицам газа при столкновениях. При таком способе введения энергии ср. энергия заряж. частиц может значительно отличаться от тепловой энергии нейтральных частиц. В первую очередь это относится к электронам, к-рые из-за малой массы неэффективно обмениваются энергией при упругом столкновении с нейтральными частицами газа. При этом не только ср. энергия электронов, но и вид распределения электронов по энергиям может существенно отличаться от равновесного.
Равновесная плазма обычно реализуется в газе при высоком давлении, где столкновения частиц происходят часто и скорость установления равновесия относительно велика. Примерами такой плазмы являются плазма дугового разряда при атм. давлении, плазма искрового разряда или молнии в атмосфере.

Рис. 3. Параметры равновесной и неравновесной низкотемпературной плазмы; Т - температура газа; Т_е - температура электронов.

Характерным примером неравновесной плазмы является плазма тлеющего разряда или плазма дугового разряда низкого давления; напр., в плазме гелий-неонового лазера при давлении газа ~10 тор теми-pa газа в центре разрядной трубки тогда как ср. энергия электронов неск. эВ (рис. 3).

Идеальная и неидеальная плазма. Плазма считается идеальной, если ср. кииетич. энергия заряж. частиц (3/2)kТ много больше ср. энергии её взаимодействия с окружающими частицами:

где е - заряд электрона, Т - темп-pa, r_D - дебаевский радиус экранирования. Идеальную плазму можно определить также как плазму, в к-рой число заряж. частиц в сфере с дебаевским радиусом велико. Оба определения приводят к одинаковому соотношению для параметров идеальной плазмы:

Числовой коэф. С в этом соотношении равен 9/32, если пользоваться первым условием, и 1/96 для второго условия. Такое различие делает границу между идеальной и неидеальной плазмой весьма размытой, а это означает, что в промежуточной области параметров неидеальность плазмы может существенно влиять на одни её свойства и не сказываться на других.
Неидеальная плазма с чисто кулоновским взаимодействием между частицами (полностью ионизованная) реально не существует. В такой плазме с большой скоростью происходит рекомбинация ионов и электронов с характерными временами значительно меньше атомных. За такие времена плотность заряж. частиц существенно падает, а их темп-pa повышается и плазма перестаёт быть неидеальной. Неидеальная плазма существует в многокомпонентной системе, где возникают дополнит. условия стабилизации плазмы. Типичным примером неидеальной плазмы является плазма металла, к-рая сохраняется неидеальной за счёт сил взаимодействия с участием ионов решётки металла. Т. о., неидеальная плазма существует при плотности частиц, сравнимой с плотностью конденсированного состояния вещества. Слабоионизованный газ всегда является идеальной плазмой.
Н. п. можпо также разделять на типы по способам её получения или использования: газоразрядная, пучковая, фоторезонансная, лазерная, ионосферная, солнечная, космич. плазма.

2. Способы создания Н. п.

В Н. п. потери заряж. частиц связаны с рекомбинацией электронов и ионов и с уходом заряж. частиц на стенки сосуда или за пределы занимаемого объёма. Для поддержания существования плазмы необходимы процессы ионизации, к-рые создают новые заряж. частицы.
Наиб. старый и простой способ создания Н. п. - газоразрядный. Плазма создаётся в результате протекания в газе электрич. тока между электродами, к к-рым приложена постоянно поддерживаемая разность потенциалов. Газовый разряд содержит ряд областей, различающихся по своим свойствам, и поэтому имеется неск. типов газовых разрядов (см. Электрические разряды в газах). Для газоразрядной плазмы характерна квазистационарность, т. е. время её существования значительно превышает характерное время жизни отдельно выделенной заряж. частицы.
Газоразрядному способу создания Н. п. подобно создание плазмы при электрич. пробое газа, к-рый осуществляется под действием разности потенциалов, приложенной к электродам. В этом случае получают импульсную плазму, к-рая распадается, как только электроды разрядятся. Пробой газа имеет неск. стадий, в итоге к-рых образуется проводящий канал - искровой разряд. Подобное явление имеет место в приземной атмосфере: молния - пробой газа между облаками или между облаком и землёй во время грозы.
Пробой газа может произойти за счёт высокой напряжённости эл--магн. волн при прохождении сфокусиров. лазерного излучения через газ - лазерный пробой (см. Оптические разряды ).Н. п., образовавшаяся при газовом пробое, распадается в результате рекомбинации и диффузии заряж. частиц. Такую плазму наз. распадающейся плазмой или плазмой в послесвечении и используют для измерения скоростей рекомбинации и коэф. диффузии заряж. частиц.
Под действием резонансного излучения образуется т. н. фоторезонансная плазма .Энергия фотонов резонансного излучения совпадает с энергией возбуждения атомов или молекул газа. Образуемые при поглощении резонансных фотонов возбуждённые атомы или молекулы при дальнейших столкновениях ионизуются.
В качестве источника резонансного излучения используется разрядная лампа, содержащая данный газ, или перестраиваемый лазер. Этот способ генерации плазмы позволяет легко регулировать её параметры, поэтому фоторезонансная плазма применяется при создании плазменных нелинейных оптич. элементов для преобразования и стабилизации частоты лазерного излучения, для создания источников ионов разного сорта, акустич. источников и т. д. Фоторезонансная плазма отличается от газоразрядной плазмы по своим параметрам. В газоразрядную плазму энергия вводится через электроны, а от них она передаётся плазме, в фоторезонансной плазме энергия первоначально вкладывается в возбуждение атомов. Поэтому средняя энергия электронов в фоторезонансной плазме существенно ниже, чем в газоразрядной.
При прохождении электронного пучка через газ возникает пучковая плазма. Обычно для её создания используются пучки электронов с энергией в неск. сотен кэВ. Такие электроны свободно проходят через тонкие фольги и поэтому могут транспортироваться из электронной пушки в лаб. установку, содержащую газ при более высоких давлениях. Осн. процесс взаимодействия быстрых электронов с атомами или молекулами газа - ионизация атомов или ионов. Образуемые при этом вторичные электроны имеют энергию, в неск. раз превышающую потенциал ионизации атомов или молекул. Т. о., при прохождении пучка электронов через газ энергия быстрых электронов преобразуется в энергию вторичных электронов (к-рая далее и используется) с высоким коэф. преобразования. Поэтому кпд устройств, возбуждаемых электронным пучком, достаточно велик. Напр., кпд молекулярных, хим. и эксимерных лазеров, возбуждаемых электронным пучком, >10%. Однако осн. достоинство возбуждения плазмы электронным пучком - возможность быстрого подвода энергии. Характерные времена возбуждения плазмы электронным пучком ~10^-9 с. Благодаря этому электронный пучок используется не только для создания импульсной Н. п., но и для предионизации. В мощных лаб. устройствах электронный пучок создаёт однородную первичную плазму, к-рая далее развивается под действием электрич. импульсного разряда.
В 1980-е гг. широкое развитие приобретает лазерная плазма. Лазер используется для разл. технол. операций - обработки поверхностей, сварки, резки металлов и т. д. При взаимодействии лазерного излучения с поверхностью образуется лазерная плазма, к-рая, взаимодействуя с лазерным излучением, может поглощать его, препятствуя проникновению лазерного излучения к обрабатываемой поверхности. Лазерная плазма - специфич. физ. объект, требующий исследования в плане конкретных технол. процессов.
Имеется много др. способов генерации Н. п. Плазма может быть получена под действием жёсткого излучения, ионизующего газ (ионосфера Земли и др. планет), в результате прохождения пучка ионов или нейтронов через газ. В качестве генератора Н. п. могут быть использованы радиоакт. источники.
Ещё один способ создания Н. п. - химический: в пламенах заряж. частицы образуются в результате процессов хемионизации.

3. Процессы в Н. п.

Осн. процессами в Н. п. являются элементарные процессы возбуждения и ионизации газа, рекомбинации заряж. частиц и др., процессы переноса заряж. и возбуждённых частиц, а также процессы переноса энергии за счёт теплопроводности, конвекции. Число типов элементарных процессов в Н. п. достигает неск. десятков. На примере плазмы воздуха (табл.) рассмотрим характер элементарных процессов в Н. п.
Первостепенное значение среди элементарных процессов в Н. п. имеют процессы ионизации, ибо они поддерживают плазму. Чаще ионизация происходит в результате столкновения с электронами. Процесс 1 наз. прямой ионизацией, процесс 2 - ступенчатой ионизацией, представляющей собой последовательность процессов возбуждения метастабильного состояния (13) и ионизации возбуждённой молекулы. Ступенчатая ионизация эффективно происходит в относительно плотной плазме. Заряж. частицы в Н. п. могут образовываться с участием возбуждённых частиц - ассоциативная ионизация (3) или Пеннинга эффект .Заряж. частицы возникают также в результате фотоионизации. Процесс 4 - осн. процесс образования ионосферной плазмы под действием КВ-излучения Солнца.
Рекомбинация заряж. частиц в плазме может идти по разным каналам. Процессы 5, 6 - диссоциативная рекомбинация электрона и молекулярного иона, процесс 7 - взаимная нейтрализация положит. и отрицат. ионов, процесс 8 - трёхчастичная рекомбинация электрона и иона, процесс 9 - фоторекомбинация. Каждый из этих процессов при соответствующих условиях может быть доминирующим.

Элементарные процессы в низкотемпературной плазме

Важную роль, особенно в плазме электроотрицательных газов, играют процессы прилипания электрона к атому или молекуле, в результате чего образуется отрицат. ион. Хотя процессы прилипания электрона не изменяют число заряж. частиц в плазме, но при таком переходе резко падает проводимость плазмы, существенно изменяются её др. свойства. Процесс 10 - трёхчастичное прилипание электрона к атому, процесс 11 - диссоциативное прилипание электрона к молекуле, процесс 12 - фотоприлипание. В частности, в атм. воздухе в результате процесса 10 за 10^-7 с первоначально образованные медленные электроны превращаются в отрицат. ионы, а процесс 12 ответствен за ночное свечение неба.
Процессы возбуждения атомов и молекул существенны и для поддержания Н. п. и при преобразовании энергии внеш. источника в энергию излучения в газоразрядных лампах и газовых лазерах. Процесс 13 - образование метастабильной молекулы - является первой стадией ступенчатой ионизации молекул.
Процесс 14 - возбуждение резонансных состояний молекул; в азотном лазере, напр., этот процесс создаёт инверсную заселённость уровней. Процесс 15 - возбуждение колебат. уровней молекулы, этот процесс преобладает в тлеющем разряде в азоте и в лазере на углекислом газе, что обеспечивает большой кпд и высокую мощность лазера.
Процессы перезарядки 16, 17 приводят к переходу заряда от одной частицы к другой. Особенно существенна резонансная перезарядка (17), к-рая эффективнее упругого рассеяния, т. к. резонансная перезарядка происходит при прямолинейных траекториях движения иона и молекулы. Резонансная перезарядка определяет параметры транспорта ионов - подвижность и коэф. диффузии (продольной и поперечной по полю) в собств. газе.
Рассмотренные процессы типичны для разл. видов плазмы, но для каждой конкретной системы могут оказаться важными, определяющими свойства и параметры плазмы, и др. типы процессов. Напр., это могут быть процессы колебательной релаксации возбуждённых молекул, процессы тушения возбуждённых молекул и атомов при столкновении с электронами и нейтральными частицами, процессы разрушения отрицат. ионов и т. д.

4. Неустойчивости и структуры Н. п.

Коллективные явления не играют в Н. п. первостепенной роли, как в горячей плазме, но их влияние на свойства плазмы может быть заметным. Присутствие большого числа нейтральных частиц в слабоионизов. плазме приводит к затуханию мн. типов колебаний, характерных для горячей плазмы, и к устойчивости Н. п. относительно этих колебаний. Если степень ионизации плазмы не очень мала, то осн. типы колебаний плазмы возникают в ней, хотя и не так чётко выражены. В частности, в положит. столбе дугового разряда низкого давления, где степень ионизации плазмы доходит до процентов, присутствуют как плазменные колебания, так и ионный звук. Возникновение плазменных неустойчивостей приводит, в свою очередь, к осцилляции разрядного тока.
Неустойчивости Н. п., приводящие к нарушению пространственного распределения плазмы или к её разрушению, существенно отличаются от неустойчивостей горячей плазмы. Осн. типы неустойчивостей Н. п.: ионизационная, прилипательная и тепловые неустойчивости.
Ионизационная неустойчивость обусловлена связью скорости ионизации с пространств. распределением заряж. частиц, со ср. энергией электронов или с др. параметрами плазмы. В случае ионизац. неустойчивости снижение скорости ионизации уменьшает соответствующий параметр плазмы, а это приводит к последующему понижению скорости ионизации. Механизмов развития ионизац. неустойчивости может быть много в зависимости от конкретных условий.
Прилипательная неустойчивость связана с процессом перехода отрицат. заряда от электронов к отрицат. ионам. В этом случае образование отрицат. иона изменяет параметры плазмы так, что делает благоприятным дальнейшее прилипание электронов к атомам. В результате либо нарушается однородное распределение плазмы, либо нарушаются условия существования плазмы и она разрушается (подробнее см. Плазма электроотрицательных газов).
Тепловые неустойчивости проявляются во влиянии теплового режима и процессов переноса на параметры плазмы. Ярким примером является тепловой взрыв в лазере на угарном газе. Как во всяком молекулярном газе, колебат. темп-pa в плазме этого лазера превышает поступат. темп-ру газа. В процессе колебат. релаксации, связанной с тушением колебательно возбуждённых молекул, часть колебат. энергии переходит в поступательную, что приводит к повышению темп-ры газа и увеличению теплового потока на стенки за счёт теплопроводности. С ростом темп-ры газа резко возрастает скорость колебат. релаксации. Тепловой поток в газе не в состоянии унести энергию, выделяемую при колебат. релаксации. Оставаясь в газе, она приводит к увеличению его иоступат. темп-ры, а это, в свою очередь, к повышению скорости колебат. релаксации. Возникает тепловая неустойчивость, в результате к-рой колебат. энергия быстро перерабатывается в поступательную до тех пор, пока колебат. и поступат. темп-ры газа не сравняются. Эта неустойчивость ограничивает уд. мощность лазера на угарном газе.
Неустойчивости Н. п. нарушают однородное распределение плазмы в пространстве и могут привести к появлению новых структур. Одной из них, наиб. изученной, является сжатие, или контракция газового разряда. В длинной цплиндрич. трубке свечение газового разряда и электрич. ток сжимаются к оси, и в остальной части трубки газ не возбуждается. Механизм контракции разряда может быть разным, но суть её состоит в следующем. Из-за резкой зависимости скорости ионизации от плотности газа и повышения темп-ры вблизи оси трубки (где проходит ток) ионизация газа происходит только вблизи оси трубки. За счёт разных механизмов рекомбинации заряж. частицы гибнут в объёме не доходя до стенок трубки. В результате заряженные частицы сосредоточены вблизи оси трубки, в этой области происходит возбуждение газа и наблюдается его свечение.
Др. тип структур в газоразрядной плазме - страты - чередующиеся светящиеся и тёмные области разряда; эта правильная полосатая структура может перемещаться и "бежать" к электроду, а может быть неподвижной. Страты существуют в определ. области токов и давлений; механизмы их возбуждения и характер проявления различны для атомных и молекулярных газов. Страты возникают при таких параметрах разряда, при к-рых существенна ступенчатая ионизация газа, так что скорость ионизации зависит от плотности электронов нелинейно. Возникновение страт обусловлено тем, что с увеличением плотности электронов повышаются скорость ионизации и ср. энергия (темп-pa) электронов, а это в свою очередь вызывает возрастание плотности электронов. Страты как осциллирующая структура распределения электронов в разряде выгоднее однородного распределения, ибо при таком распределении более эффективно используется вводимая в газ энергия. Амплитуда осцилляции плотности электронов и размер страт определяются механизмом возникновения неустойчивости и конкретными параметрами плазмы.
В газоразрядной плазме распространён ещё один тип структуры - домен. Первоначально такие структуры наблюдались и исследовались в полупроводниковой плазме и известны как Ганна эффект .Электрич. домены в газоразрядной плазме - движущиеся в пространстве возмущения плотности электронов, представляющие собой резкое и узкое повышение плотности электронов, а за ним движется широкий и слабый "хвост". Это возмущение может перемещаться или вместе с током, или в обратном направлении. При этом проинтегрированное по времени изменение плотности электронов равно нулю. Домены могут возникнуть, если имеется немонотонная зависимость тока от напряжённости электрич. поля, напр. в случае немонотонной зависимости дрейфовой скорости электронов от напряжённости электрич. поля или если отношение плотности отрицат. ионов в плазме к плотности электронов растёт с увеличением напряжённости электрич. поля. Повышение напряжённости поля и рост ср. энергии электронов усиливают диссоциативное прилипание электронов к молекулам и зависимость тока от напряжённости электрич. БОЛЯ при одном и том же токе и создают электрич. домен.

5. Применение II. п.

Разнообразное использование Н. п. определяется простотой её создания. Газоразрядная плазма применяется в газовых лазерах и источниках связи, в плазмохим. процессах и процессах очистки газов, для обработки поверхностей, в разл. технол. и металлургич. процессах. Н. п. как рабочее тело используется при преобразовании тепловой энергии в электрическую, в . магнитогидродинамических генераторах и термоэмиссионном преобразователе. В плазмотроне Н. и. выполняет роль теплоносителя. Вводимая в плазму электрич. энергия передаётся электронам, а от них - атомам или (и) молекулам газа и нагревает его. Уд. энергия, вводимая в такой газ, заметно выше энергии в пламени газовой горелки.
Применения Н. п. можно разделить на две стадии. В первой из них плазма является рабочим телом конкретных установок и приборов (газоразрядные лазеры и лазеры, возбуждаемые электронным пучком, МГД-генератор, термоэмиссионный преобразователь, газоразрядные источники света и т. д.); во второй - плазма составляет основу соответствующих технологий.
Технол. применения плазмы обеспечиваются двумя её качествами. Во-первых, в плазме могут быть достигнуты гораздо более высокие темп-ры, чем в горелках на хим. топливе, поэтому плазма является отличным теплоносителем; во-вторых, в плазме образуется много ионов, радикалов и разл. химически активных частиц, поэтому в плазме или с её помощью можно провести хим. процессы в объёме или на поверхности, имеющие практич. значение.
Применение плазмы как теплоносителя связано с процессами сварки и резки металлов. Поскольку макс. темп-pa в хим. горелках3000 К, они не подходят для этой цели. Дуговой разряд позволяет создать плазму с темп-рой в 3 - 4 раза выше, к-рая при соприкосновении с металлом расплавляет его. Плазменные методы сварки и резки металлов обеспечивают более высокую уд. производительность, качество продукта, дают меньше отходов, но требуют больших затрат энергии и более дорогого оборудования.
Плазма как теплоноситель используется в топливной энергетике. Введение плазмы в зону сжигания низкосортных углей существенно улучшает энергетич. параметры процесса.
Как хороший теплоноситель плазма позволяет производить термич. обработку поверхности и её закалку. При этом не изменяется хим. состав поверхности, но улучшаются её физ. параметры. При др. способе обработки поверхности активные частицы плазмы вступают в хим. реакцию с материалом поверхности. Напр., при проникновении ионов или активных атомов из плазмы в приповерхностный слой в нём образуются нитриды или карбиды металлов, что упрочняет поверхность. Плазма может не вступать в хим. реакцию с поверхностью, но образует на ней свои хим. соединения в виде плёнок, обладающих нек-рым набором механич., тепловых, электрич., оптич. и хим. свойств в зависимости от параметров плазмы. Толщина плёнки, напыляемой на поверхность из плазмы, пропорц. времени плазменного процесса. Изменяя через нек-рое время состав плазмы, можно создавать многослойную структуру. Обработка отд. слоев сфокусиров. излучением ртутной лампы или лазера позволяет создавать профилир. плёнки с мин. размером отд. элементов в неск. микрон (см. Плазменная технология).
Н. п. применяется для получения ряда хим. соединений, полимеров и полимерных мембран, а также при произ-ве порошков керамич. соединений (SiC, Si₃N₄), металлов и окислов металлов (см. Плазмохимия).
Н. п. используется для анализа элементного состава вещества, осуществляемого двумя способами. В первом из них исследуемое вещество вводится в плазменную горелку - дуговой разряд с проточной плазмой - в микроколичествах либо в виде порошка, либо в виде капель. В плазме вещество диссоциирует на атомы, к-рые частично возбуждаются и излучают. По спектральному составу излучения определяется элементный состав вещества. Этот метод, наз. эмиссионным спектральным анализом, имеет долгую историю и применяется для анализа металлов и сплавов; он позволяет надёжно определять содержание примесей в кол-ве, превышающем 10^-3 - 10^-2 %.
В др. способе элементного анализа исследуемое вещество также вводится в пламя или в проточную плазму газового разряда, к-рые находятся между двумя электродами. Пламя или плазма облучаются излучением перестраиваемого лазера, и протекающий через плазму ток измеряется как функция длины волны излучения. Как только излучение попадает в резонанс с переходами атомов, находящихся в плазме, то изменяются условия ионизации атомов и, следовательно, разрядный ток. Этот эффект наз. оптогальваническим; чувствительность методов, использующих этот эффект, на неск. порядков выше, чем в эмиссионном спектральном анализе.

6. Н. п. земной атмосферы и Солнца

Н. п. присутствует в окружающей нас природе. На небольших высотах плазма может возникать под действием электрич. полей, существующих в атмосфере. В результате конвективных течений в атмосфере происходит разделение заряда и возникают электрич. поле со ср. напряжённостью у поверхности Земли ~100 В/м, а также электрич. токи.
Одно из проявлений разделения заряда в атмосфере связано с возникновением молний. В момент прохождения осн. тока молнии её канал представляет типичную Н. п., напоминающую плазму дуги высокого давления и плазмотронов. Темп-pa плазмы в канале молнии достигает 30 000 К, плотность заряж. частиц ~ 10¹⁷ см^-3 при диаметре канала порядка 1 мм.
Ионизов. газ верх. атмосферы - ионосфера возникает в осн. под действием излучения Солнца. Ионосферу принято делить на ряд слоев (D, Е, F₁, F₂), расположенных на высотах 50 - 90, 90 - 140, 140 - 200 и 200 - 400 км.
Ср. концентрация заряж. частиц в слое D составляет ~10³ см^-3. Отрицат. заряд в этом слое создаётся в осн. разл. отрицат. ионами; наиб. распространённым положит, ионом является кластерный ион Н₃О⁺Н₂О.
Заряж. частицы в слое Е образуются в результате фотоионизации газа под действием УФ-излучения. Эти заряж. частицы дрейфуют в нижние слои атмосферы и служат источником плазмы в D-слое ионосферы. Плотность электронов в E-слое ~10⁵ см^-3, отрицат. ионы в этом слое практически отсутствуют; типы положит. ионов - Гибель заряж. частиц в слое Е обусловлена диссоциативной рекомбинацией электронов и ионов и уходом частиц в нижние слои.
Плотность электронов в слоях F₁и F₂ ~ 10⁵ - 10⁶ см^-3, осн. тип положит. ионов 0⁺. Заряж. частицы в слоях F образуются в результате ионизации атомарного кислорода под действием УФ-излучения Солнца. Гибель заряж. частиц определяется фоторекомбинацией электронов с ионом кислорода, фотоприлипанием электрона к атому кислорода, а также уходом заряж. частиц в нижние слои.
Слои Е и F ионосферы отражают радиоволны, обеспечивая связь на KB и ср. волнах на большие расстояния. Поскольку плазма этих слоев создаётся под действием излучения Солнца, параметры плазмы могут существенно меняться на протяжении суток и времени года, что влияет на распространение радиоволн. На высотах Е и F слоев работают также ИСЗ. На этих высотах чаще всего развивается полярное сияние, возникающее при проникновении потока солнечных протонов в атмосферу.
Околоземная плазма на больших высотах, а также межпланетная плазма создаются солнечным ветром, и структура магнитосферы определяется взаимодействием солнечного ветра с магн. полем Земли. Электроны, захваченные магн. полем Земли, образуют радиационные пояса Земли.
Параметры солнечной плазмы, как и атмосферной, резко различаются в зависимости от области Солнца. Во внутр. части Солнца темп-pa достаточно высока, так что там находится сильноионизованная плазма. На поверхности Солнца и в окрестности Солнца степень ионизации плазмы невысока, т. е. здесь содержится Н. п. Поверхностный слой Солнца толщиной ~1000 км, из к-рого испускается осн. часть эл--магн. излучения Солнца, наз. фотосферой. Плотность атомарного водорода в фотосфере ~10¹⁷ см^-3, плотность заряж. частиц ~10¹⁴ см^-3, темп-pa равновесной плазмы ~ 6000 К. Это излучение определяется в осн. процессом фотоприлипания электрона к атому водорода. Образуемые при этом отрицат. атомы водорода далее быстро разрушаются при столкновениях, так что отрицат. заряд фотосферной плазмы образуется в осн. электронами.
Разреженная область плазмы над поверхностью Солнца - солнечная корона. Плотность плазмы в короне резко падает по мере удаления от Солнца. Особенностью солнечной короны является её высокая темп-ра (~10⁶ К). Поэтому солнечная корона испускает жёсткое (рентгеновское) излучение. Кроме того, она является источником солнечного ветра.

Лит.: Пикельнер С. Б., Основы космической электродинамики, 2 изд., М., 1966; Акасофу С. И., Чепмен С., Солнечно-земная физика, пер. с англ., ч. 1 - 2, М., 1974 - 75; Смирнов Б. М., Введение в физику плазмы, 2 изд., М., 1982; Арцимович Л. А., Сагдеев Р. 3., Физика плазмы для физиков, М., 1979; Биберман Л. М., Воробьёв В. С., Я к у б о в И. Т., Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы, М., 1982; Райзер Ю. П., Физика газового разряда, М., 1987.

Б. М. Смирнов.

   <<      Предметный указатель      >>