等離子體與“太陽風(fēng)”漫談

1、一、物質(zhì)的第四態(tài)等離子體 我們知道，物質(zhì)通常處于三種聚集態(tài)，即固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)，隨著溫度的變化，物質(zhì)的三態(tài)之間可以互相轉(zhuǎn)化。如果溫度升高到104K甚至105K，分子間和原子間的運(yùn)動(dòng)十分劇烈，彼此間已難以束縛，原子中的電子因具有相當(dāng)大的動(dòng)能而擺脫原子核對(duì)它的束縛，成為自由電子，原子失去電子變成帶正電的離子。這樣，物質(zhì)就變成了一團(tuán)由電子和帶正電的離子組成的混合物。發(fā)生了電離的氣體，無論是部分電離還是完全電離，雖然描述普通氣體的密度、溫度、壓強(qiáng)等仍適用，但它的主要性質(zhì)已發(fā)生了本質(zhì)的變化。在氣體中電離成分只要超過1，它的行為就主要由電子和離子間的庫侖力來支配。因此，它跟固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)相比，

2、是一種性質(zhì)獨(dú)特的全新物質(zhì)聚集態(tài)，常稱之為“物質(zhì)的第四態(tài)”。又由于這種電離氣體中電子的負(fù)電荷總數(shù)和離子的正電荷總數(shù)在數(shù)值上相等，故稱為“等離子體”。 概括地說，等離子體的基本特性：導(dǎo)電性強(qiáng)：由于存在自由電子和帶正電的離子，所以等離子體具有很強(qiáng)的導(dǎo)電性；電準(zhǔn)中性：盡管等離子體內(nèi)部有許多帶電粒子，但宏觀上粒子所帶正電荷數(shù)總是等于負(fù)電荷數(shù)，故稱電準(zhǔn)中性。由于任何微小的空間電荷密度的存在將產(chǎn)生巨大的電場(chǎng)以使其恢復(fù)原狀而保持電中性，所以等離子體中電荷分離的空間和時(shí)間都很小；與磁場(chǎng)的可作用性：因?yàn)榈入x子體是由帶電粒子組成的導(dǎo)電體，所以可用磁場(chǎng)控制其形狀和運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，帶電粒子集體運(yùn)動(dòng)的結(jié)果又可形成電

3、磁場(chǎng)。 理論研究表明，氣體中的電離成分隨溫度升高而增大，室溫下氣體中電離成分微乎其微。 若要使氣體中電離成分達(dá)到1，則溫度必須高于10000。通常把電離度小于01的氣體稱為弱電離氣體，又叫做低溫等離子體；電離度大于01的稱為完全電離等離子體，也稱高溫等離子體。等離子體技術(shù)是一門高新技術(shù)，盡管很年輕，但發(fā)展很快。簡(jiǎn)介幾種于下。 等離子體光源  用來裝飾城市夜景的絢麗多彩的霓虹燈所發(fā)出的光，就是利用了等離子體的發(fā)光特性。其基本原理是：將玻璃管彎成一定形狀，抽成真空，再充人少量的特殊氣體，然后在玻璃管兩端封上電極，接上l萬伏左右的電壓（電流極?。?/p>

4、內(nèi)氣體在強(qiáng)電場(chǎng)作用下電離，形成低溫等離子體，并發(fā)出光來，這一過程叫做“輝光放電”。充入不同氣體，能發(fā)出不同顏色的光。 等離子體顯示它是一種利用氣體發(fā)光高精度的平面顯示裝置，由兩塊相距幾百微米的玻璃板組成，四周用低熔點(diǎn)玻璃密封，將空腔抽成真空，再充以某種氣體（如氖氣，氣壓為幾百毫米汞柱），兩塊玻璃板內(nèi)側(cè)的相對(duì)兩個(gè)面噴有，（二氧化錫）透明導(dǎo)電膜，作為等離子體顯示板的兩個(gè)電極，應(yīng)用光刻技術(shù)把導(dǎo)電膜制成一定圖案，然后在電極上覆蓋一層透明介質(zhì)薄膜。當(dāng)?shù)入x子體顯示板兩電極接上電壓后，空腔內(nèi)所充氣體產(chǎn)生輝光放電，形成等離子體，發(fā)出鮮艷的霓虹色光，將圖形顯示出來。等離子體顯示的優(yōu)點(diǎn)有：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作

5、成本低，顯示板厚約為0512cm左右，視角大于120；亮度高，使用壽命長(zhǎng)；響應(yīng)速度快，顯示精度高。因此，這種新技術(shù)問世不久，應(yīng)用就很廣泛，如用等離子體顯示板做成的平板型電視屏幕，像一副鏡框那樣掛在墻壁上就可以收看電視節(jié)目。 等離子體加工等離子體的高溫特性可用于對(duì)難熔金屬進(jìn)行切割、噴涂和焊接加工。具體地說切割：典型的等離子體弧溫度高達(dá)12萬攝氏度，噴速可接近聲速，特別適宜對(duì)耐高溫金屬材料（如不銹鋼、鈦、鉑、鎢、鈷及其合金等）進(jìn)行切割，且切口狹窄光潔；由于工件可以不作為一個(gè)電極，因而還可切割大理石、花崗巖和混凝土等硬質(zhì)非金屬材料。噴涂：除了一般等離子體弧發(fā)生器所需的工作氣體、冷卻水和電源

6、外，還需一個(gè)送粉器，采用適當(dāng)?shù)姆椒▽⑺獓娡康碾y熔金屬粉末或非金屬粉末送入噴嘴中，在噴嘴中溫度很高的等離子體將粉末迅速熔化，并以極高的速度將其噴涂到待涂工件上，牢固粘著在工件表面。它們以液態(tài)存在幾個(gè)微秒（）的時(shí)間，然后迅速固化，形成一個(gè)具有特殊性能的薄層。這種技術(shù)用于對(duì)火箭燃燒室的內(nèi)壁、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴嘴、汽缸、曲軸、活塞等工件噴涂一層耐熱耐磨的特殊涂層。焊接：等離子體焊接可分為冷絲等離子體焊接、熱絲等離子體焊接、預(yù)制等離子體焊接和粉末焊接，其特點(diǎn)是焊接溫度高，能焊接難熔金屬。最近還發(fā)明了等離子體微弧新技術(shù)，它可滿足近代科學(xué)中焊接極薄材料的苛刻要求。目前，用等離子體微弧可焊接厚度僅001mm的極

7、薄金屬鉑；在飛機(jī)、導(dǎo)彈、火箭制造業(yè)中這種新技術(shù)可以用來焊接各種微形管道、燃燒室和網(wǎng)狀過濾器等；在儀表工業(yè)中還可用于制造波紋管和毛細(xì)管，用于焊接復(fù)雜的金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)等。 又例如，可以用極細(xì)的等離子體作為手術(shù)刀進(jìn)行外科手術(shù)，在受控?zé)岷朔磻?yīng)中，也可利用它來獲得極高的溫度；據(jù)2004年出版的未來學(xué)家報(bào)道，美國(guó)發(fā)明了“低溫等離子體消毒法”。 在地面上要得到等離子體需要很復(fù)雜的裝置，但在茫茫的宇宙中，除了人類居住的地球這種“冷星球”以外，太陽和恒星都是熱得幾乎全部電離的物質(zhì)，都是“等離子體”。而氣體放電（如空中的閃電）也能導(dǎo)致電離，星際氣體由于受到恒星的輻射線（如紫外線、X射線，射線）的

8、照射也會(huì)電離。因此可以說，宇宙中很多物質(zhì)都是以等離子態(tài)存在的。 二、“太空急流”太陽風(fēng) 1964年，英國(guó)著名科幻作家、“全球衛(wèi)星通信之父”阿瑟-克拉克（Arthur·CClarke，1917）發(fā)表了一篇杰作太陽帆船，公開提出利用太陽光子流形成的“太陽風(fēng)”揚(yáng)帆碧空，實(shí)現(xiàn)星際航行。這個(gè)設(shè)想很有“刺激性”，極鼓舞人。1994年11月2日，美國(guó)航天航空局為此專門發(fā)射了一艘無人駕駛的宇宙飛船，耗資兩億美元，用來對(duì)太陽風(fēng)進(jìn)行為期3年以上的觀測(cè)研究。 所謂“太陽風(fēng)”，指的就是從太陽日冕層中發(fā)出的強(qiáng)大的高速運(yùn)動(dòng)的“等離子體流”，太陽風(fēng)所含的微粒主要為氫離子（）和氦離子（

9、）。根據(jù)天文學(xué)家的觀測(cè)研究，太陽是由太陽核、對(duì)流層、光球?qū)?、色球?qū)雍腿彰釋庸餐M成的。日冕層是太陽大氣的最外層，由稀薄的等離子體組成，粒子密度為1000萬10000萬，溫度約為15000。由于太陽溫度極高，引起日冕連續(xù)不斷地向外膨脹，驅(qū)使這些由低能電子和質(zhì)子組成的等離子體不停地向行星際空間運(yùn)動(dòng)。由于這些帶電粒子運(yùn)動(dòng)的速度比較大（超音速），盡管太陽的引力比地球的引力要大28倍，但高速的粒子流仍有一部分要沖脫太陽的引力，像陣陣狂風(fēng)那樣不停地“吹”向行星際空間，所以被人們形象地稱之為“太陽風(fēng)”。太陽風(fēng)的得名其實(shí)還和彗星有關(guān)。很早以前，人們通過先進(jìn)的觀測(cè)手段發(fā)現(xiàn)彗星離太陽越近，彗尾就越長(zhǎng)，而且彗尾的方

10、向總是背對(duì)著太陽。于是就開始猜測(cè)這大概是從太陽“吹”出來的某種物質(zhì)造成的。美國(guó)人造地球衛(wèi)星在1958年探測(cè)到太陽風(fēng)，美國(guó)科學(xué)家羅伯特·帕克（Robert  Packe）將其形象地命名為“太陽風(fēng)”。1962年，從“水手2號(hào)”飛船獲得的資料中進(jìn)一步證實(shí)了“太陽風(fēng)”的存在。據(jù)粗略的估計(jì)，由于太陽風(fēng)，太陽每秒鐘要吹掉109kg的物質(zhì)，這個(gè)數(shù)字雖然很大，但與巨大的太陽質(zhì)量（約為）相比就不算什么了?，F(xiàn)在，科學(xué)家已經(jīng)知道：太陽風(fēng)的風(fēng)源來自“冕洞”?！懊岫础笔侨彰岜砻鏈囟群兔芏榷驾^低的部分，在X射線和紫外線下看起來比周圍地帶要暗，就像是一個(gè)個(gè)的黑洞，不間斷地出現(xiàn)在太陽“兩極”地區(qū)

11、。隨著太陽旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)的冕洞，如同草地上澆水的旋轉(zhuǎn)水龍頭，把太陽內(nèi)部爆發(fā)產(chǎn)生的“高速等離子流”拋向太空。 太陽風(fēng)常分為兩種，即“寧靜太陽風(fēng)”和“擾動(dòng)太陽風(fēng)”?！皩庫o太陽風(fēng)”（又稱“持續(xù)太陽風(fēng)”），即射流速度比較小，而微粒含量也不大的太陽風(fēng)。這種太陽風(fēng)起源于平靜的日冕區(qū)，開始時(shí)日冕物質(zhì)以較低的速度膨脹，漸漸離開太陽表面。隨著離太陽距離的增加，膨脹的速度也變大，密度不斷減小，等到達(dá)地球的時(shí)候，射流速度一般在左右，每含質(zhì)子數(shù)通常不超過10個(gè)。這種太陽風(fēng)通常對(duì)地球的影響不是很大。而“擾動(dòng)太陽風(fēng)”，即在太陽活躍時(shí)期噴射出的粒子流，與太陽拋射物質(zhì)事件或爆發(fā)現(xiàn)象有關(guān)，有時(shí)還伴有高能帶電粒子的大量增加

12、，其射流速度一般可以達(dá)到，粒子密度也比較大，每m3可含質(zhì)子幾十個(gè)。擾動(dòng)太陽風(fēng)由于其粒子高速高能高含量的特點(diǎn)，可以對(duì)地球產(chǎn)生比較明顯的干擾。 強(qiáng)勁的太陽風(fēng)“吹”向地球的時(shí)候，會(huì)對(duì)地球產(chǎn)生一系列的影響：引起地球磁場(chǎng)的變化。強(qiáng)大的太陽風(fēng)能夠破壞原來?xiàng)l形磁鐵式的磁場(chǎng)，將它壓扁而不對(duì)稱，形成一個(gè)固定的區(qū)域磁層，磁層的外形像一只頭朝太陽的“蟬”，“尾部”拖得很長(zhǎng)很長(zhǎng)。太陽風(fēng)的帶電粒子流可以激發(fā)地球上南北極及其附近上空的空氣分子和原子。這些微粒受激后，能發(fā)出多種形態(tài)的“極光”。巨大的沖擊還能強(qiáng)烈地扭曲磁場(chǎng)，產(chǎn)生被稱為“殺手”的電子湍流（又有人稱之為“太空急流”）。這種電子湍流不但能鉆進(jìn)衛(wèi)星內(nèi)部造成

13、永久性破壞，還能切斷變電器及電力傳送設(shè)施，造成地面電力系統(tǒng)全面崩潰。太陽風(fēng)的帶電粒子流還會(huì)使地球上空電離層受到干擾，引起磁爆，給無線電短波通訊、電視、航空和航海事業(yè)帶來嚴(yán)重影響，甚至帶來災(zāi)難性的后果。引發(fā)磁層亞暴。在磁層亞暴期間，距離地球表面36000km的高空處可能會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的真空放電和高壓電弧，給同步軌道上的衛(wèi)星帶來災(zāi)難，甚至導(dǎo)致衛(wèi)星殞滅。歷史上，20世紀(jì)70年代的一次太陽風(fēng)暴導(dǎo)致大氣活動(dòng)加劇，增加了當(dāng)時(shí)前蘇聯(lián)的“禮炮”號(hào)空間站的飛行阻力，從而使其脫離了原來的軌道；1989年的太陽風(fēng)暴令美國(guó)國(guó)防部的一些衛(wèi)星癱瘓，使加拿大魁北克省和美國(guó)新澤西州的供電系統(tǒng)受到破壞，造成的損失超過10億美元；1

14、998年美國(guó)發(fā)射的一顆通訊衛(wèi)星（人造地球衛(wèi)星）短路失靈，導(dǎo)致美國(guó)4000萬個(gè)尋呼用戶無法收到信息；2000年6月6日，在太陽一個(gè)大黑子群上空出現(xiàn)了更猛烈的太陽風(fēng)暴，它噴發(fā)出約10億噸帶電粒子流，其中一部分在兩天后沖人地球的高空防線。這場(chǎng)風(fēng)暴也在我國(guó)上空引發(fā)了電離層暴，使衛(wèi)星和短波通訊受到干擾，無法正常工作。 由于太陽風(fēng)不斷“進(jìn)攻”地球，科學(xué)家正在研究預(yù)測(cè)太陽風(fēng)暴的方法。最近，美國(guó)發(fā)射了一顆“圖像衛(wèi)星”（全稱是“磁層至極光全球探測(cè)成象衛(wèi)星”）。這意味著人們有可能如同觀看氣象衛(wèi)星的紅外云圖那樣在電視中注視太陽風(fēng)暴的動(dòng)向，對(duì)太陽風(fēng)襲擊地球防線的空間氣象預(yù)報(bào)已不再是遙遠(yuǎn)的夢(mèng)。 當(dāng)然

15、，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，我們完全可以在將來某一天利用太陽風(fēng)來提供所需要的種種巨大能量。比如，用等離子體作為噴射發(fā)動(dòng)機(jī)，為宇宙飛船提供動(dòng)力，這種發(fā)動(dòng)機(jī)比火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力大得多，真正實(shí)現(xiàn)阿瑟·克拉克的夢(mèng)想。 三、神奇“天火"極光 “極光”是指常出現(xiàn)在地球高緯度地區(qū)高層大氣中的發(fā)光現(xiàn)象，是太陽風(fēng)與地球磁場(chǎng)相互作用的結(jié)果。太陽風(fēng)以大約吹到地球上空時(shí)，會(huì)受到地球磁場(chǎng)的作用。地球磁場(chǎng)形如“漏斗”，尖端對(duì)著地球的南北兩個(gè)磁極，因此，太陽發(fā)出的帶電粒子沿著地磁場(chǎng)的這個(gè)“漏斗”沉降，進(jìn)入地球的兩極地區(qū)。兩極的高層大氣受到太陽風(fēng)的轟擊后會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，發(fā)出光芒，即“極光”。在

16、北半球出現(xiàn)的叫北極光，南半球出現(xiàn)的叫南極光。而高層大氣是由多種氣體組成的，不同元素的氣體受太陽風(fēng)轟擊后所發(fā)出光的顏色不一樣。如氧元素被激后發(fā)出綠光和紅光，氮元素被激后發(fā)出紫色的光，氬元素被激后發(fā)出藍(lán)色的光，所以，人們才能看到紅、藍(lán)、綠、紫相間的光線布滿天空。美麗的極光還呈現(xiàn)出變幻無窮的形狀。有帷幕狀、弧狀、帶狀和射線狀等多種形狀。極光的確是大自然的造化神功，絢麗多彩、美妙絕倫。 由于地球處在一個(gè)巨大的磁洞中，太陽風(fēng)不能輕易地穿透地球周圍的磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁氣圈。相反，太陽風(fēng)壓縮地球陽面區(qū)域并使陰面區(qū)域伸展成本質(zhì)上的圓筒形區(qū)域，磁層尾從地球深處延伸到星際空間。30年前，裝載在衛(wèi)星上的設(shè)備第一

17、次用于探測(cè)地球的磁性球體，并且它最終決定了太陽風(fēng)和磁性球體形成一個(gè)巨大的電力發(fā)動(dòng)機(jī)這是磁場(chǎng)與太陽風(fēng)的相互作用使風(fēng)的運(yùn)動(dòng)變成電。 極光的形成與太陽活動(dòng)息息相關(guān)。每逢太陽活動(dòng)極大年，太陽活動(dòng)發(fā)生劇烈變化如耀斑爆發(fā)時(shí)，人們就可以看到比平常更為壯觀的極光景象。就連許多以往看不到極光的緯度較低的地區(qū)也會(huì)出現(xiàn)極光。大多數(shù)極光出現(xiàn)在地球上空90130km處，但有些極光要高得多。如1959年的北極光測(cè)得的高度是160km，寬度超過4800km。全球范圍內(nèi)，加拿大的丘吉爾城，一年有300個(gè)夜晚能見到極光；而在佛羅里達(dá)州，一年平均只能見到4次左右。我國(guó)最北端的漠河，也是觀看極光的好去處。 奇怪的是，有些人堅(jiān)稱看到極光時(shí)還聽到了極光的聲音。自幾個(gè)世紀(jì)前第一次有此類報(bào)道開始，類似的