В рамках классической физики традиционно различают три основных агрегатных состояния вещества, известных каждому со школьной скамьи: твёрдое, жидкое и газообразное. Тем не менее, в областях астрофизики и физики высоких температур такая классификация оказывается неполной.
Туманность "Бегущий Цыпленок" (IC 2944) — область активного звездообразования в созвездии Центавра
При экстремально высоких температурах или при воздействии мощного электромагнитного излучения газ подвергается ионизации: его атомы теряют электроны, превращаясь в заряженные частицы, а само вещество переходит в состояние плазмы — ионизированного газа, насыщенного свободными электронами и положительными ионами.
Наличие значительного количества свободно движущихся заряженных частиц делает плазму уникальной агрегатной формой материи. В отличие от нейтрального газа, плазма демонстрирует активную реакцию на электрические и магнитные поля, а её поведение определяется не только термодинамическими параметрами, такими как температура и плотность, но и сложными электромагнитными взаимодействиями между частицами. Это приводит к формированию сложных структур — токов, волн, нитевидных образований и других упорядоченных конфигураций, которые возникают под влиянием как газодинамических, так и электродинамических законов.
На Земле естественная плазма встречается крайне редко и в основном сосредоточена в ионосфере — верхнем слое атмосферы, простирающемся от 60 до 1 000 километров над земной поверхностью.
Плазмосфера Земли, запечатленная в глубоком ультрафиолетовом диапазоне: изображение, полученное прибором EUV, установленным на космическом аппарате IMAGE. Бледно-голубое свечение демонстрирует холодную, но плотно распределённую плазму, охватывающую нашу планету.
Под воздействием солнечного излучения атомы и молекулы верхних слоёв атмосферы ионизируются, теряя электроны и формируя разрежённую, но протяжённую плазменную оболочку. Помимо солнечного воздействия, земная плазма возникает также в ходе мощных атмосферных явлений — таких как молнии, полярные сияния и другие высокоэнергетические процессы.
Однако если взглянуть на масштабы Вселенной, то именно плазма, а не твёрдые тела, жидкости или нейтральные газы, представляет собой преобладающую форму обычной материи. Современные оценки указывают, что от 99% до 99,999% всей наблюдаемой материи во Вселенной находится именно в плазменном состоянии. Именно из плазмы состоят Солнце и другие звёзды, горячие газовые туманности, короны звёзд, солнечный ветер, а также значительная часть межзвёздной и межгалактической среды.
Особую значимость плазма имеет в звёздах. При температурах, достигающих миллионов градусов, вещество не может существовать в газообразном состоянии — атомы полностью ионизируются, превращаясь в смесь свободных электронов и ионов. Именно в этой плазменной среде протекают термоядерные реакции, обеспечивающие излучение звёзд и синтез тяжёлых химических элементов. Без плазмы не существовало бы Солнца в его нынешнем виде, а Вселенная осталась бы бедной: не было бы нуклеосинтеза, который постепенно обогащает космос элементами тяжелее водорода и гелия.
Плазма также лежит в основе ключевых процессов, определяющих космическую погоду. Солнечные вспышки, корональные выбросы массы, магнитные бури и потоки высокоэнергетических частиц — всё это результат сложного взаимодействия плазмы с магнитными полями. Изучение этих явлений имеет не только фундаментальное научное значение, но и критически важно для практической деятельности: более глубокое понимание плазменной динамики позволяет точнее прогнозировать события, способные нарушать работу спутников, системы навигации, радиосвязи и энергетических сетей на Земле.
Молния — один из самых впечатляющих проявлений плазмы на нашей планете. Во время электрического разряда воздух вдоль её пути мгновенно нагревается до экстремальных температур, ионизируется и на доли секунды переходит в состояние плазмы.
Плазма — это не просто объект научных исследований: её активно применяют в повседневных и промышленных технологиях. От ярких неоновых вывесок и плазменных телевизоров до мощных промышленных резаков, систем модификации поверхностей и передовых экспериментальных установок для термоядерного синтеза — плазма уже давно стала неотъемлемой частью современного мира.
Интересный парадокс заключается в том, что мы, люди, привыкли воспринимать мир как совокупность твёрдых тел, жидкостей и газов — именно эти состояния кажутся нам естественными и основополагающими. Однако при расширении взгляда за пределы Земли становится очевидно: наша привычная реальность — редкое исключение. В масштабах Вселенной подавляющее большинство видимой материи существует именно в плазменном состоянии.