Plasmazoo

Der Großteil der sichtbaren Materie in unserem Universum liegt als Plasma vor. Entsprechend riesig ist der Parameterbereich, den die Plasmen abdecken. Einen Einblick in diesen Bereich werde ich hier versuchen zu geben.

In meinem vorletzten Beitrag hatte ich versprochen, den großen Bereich in dem Plasmen überall vorkommen, einmal darzustellen. Da man Plasmen meist über deren Dichte an geladenen Teilchen und die Temperatur dieser Teilchen charakterisiert, bietet sich ein entsprechendes Diagramm an. Damit das Diagramm nicht allzu langweilig wird, habe ich versucht, es durch einige bunte Bilder ansprechender zu gestalten, wobei ich mich bei der NASA und der ESA bedanken möchte, welche einige der Bilder zur Verfügung gestellt haben.

Plasma in seiner ganzen Vielfalt
Einteilung verschiedener Plasmen in Temperatur- und Dichtebereiche. Verwendete Bilder: Interstellarer Raum, Sonnenwind, planet. Nebel, Sonnenzentrum: NASA & ESA (gemeinfrei); Flammen: Arthur Jan Fija kowski (CC BY-SA 3.0); Glimmentladung: Pslawinski (CC BY-SA 2.5); Blitze, Ionosphäre: U.S. Air Force (gemeinfrei); Trägheitsfusion: U.S. Department of Energy (gemeinfrei); magn. Fusion: ITER Organization; e- Gas in Metallen: Image originally created by IBM Corporation; weiße Zwerge; Magnetosphäre von Pulsaren: Werner Becker, MPI für extraterrestrische Physik; Sonnenkorona: Luc Viatour / www.Lucnix.de (CC BY-SA 3.0); technische Plasmen: IGVP, Uni Stuttgart.

Wie man sieht, ist die Temperatur in eV, also in Elektronenvolt aufgetragen – ein eV entspricht ca. 11000 K. Sie variiert über 8 Größenordnungen, wobei die Dichte sogar über 30 Größenordnungen variiert. Die räumliche Ausdehnung der Bilder sollte man dabei nicht allzu genau nehmen, was die Absolutwerte angeht, die entsprechenden Namen zu den Bildern geben da eine etwas genauere Abschätzung der jeweiligen Werte.

Trotz dieser enormen Variation in Dichte und Temperatur haben alle hier dargestellten Plasmen einige ähnliche Eigenschaften. Sie alle zeichnen sich durch ein kollektives Verhalten aus, bei dem man immer genau weiß, was die Nachbarn um einen herum so treiben. Dieses kollektive Verhalten liegt in den elektrischen Felder begründet, die geladene Teilchen nun mal haben. Das ist ein erheblicher Unterschied zu einem idealen Gas, in dem die einzelnen Teilchen nur durch direkte Stöße miteinander wechselwirken.

Das alles hat nun einige interessante Effekte zur Folge. So werden eingebrachte Ladungen gegenüber dem restlichen Plasma abgeschirmt, da sich um eine positive Ladungen sofort eine Menge Elektronen scharren, die das Feld der positiven Ladungen dann abschirmen.

Zudem können elektromagnetische Wellen bis zu einer bestimmten Frequenz nicht in ein Plasma eindringen: Elektronen versuchen, das elektrische Feld einer eindringenden Welle auszugleichen und die Welle so daran zu hindern, in das Plasma einzudringen. Die Reflektion von Radiowellen bestimmter Frequenzen an der Ionosphäre funktioniert nach diesem Prinzip.

Der Zoo der Plasmaphysik ist also unheimlich groß, aber trotzdem gelten für alle ein paar identische Spielregeln 😉

Veröffentlicht von

Alf Köhn hat in Kiel Physik studiert und an der Uni Stuttgart am Institut für Plasmaforschung promoviert. Momentan ist er als Post-Doc am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching tätig und beschäftigt sich dort überwiegend mit der Wechselwirkung von Plasmen und elektromagnetischen Wellen.

6 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Eine physikalische Frage:

    Hallo Alf Köhn,
    eine physikalische Frage:

    Wenn man eine Nuklearwaffe in 10000 m Wassertiefe zündet, dann stehen jedem Quadratzenzimeter der Druckwelle 1000 kg Masse gegenüber.

    Wasser ist schlecht komprimierbar, aber es wird in Atomkere und Elektronen zerlegt werden.

    Durch diesen massiven Trägheitseinschluß müßte eigentlich eine hohe Dichte energiereicher Protonen entstehen.

    Ob wohl dann zumindest vorübergehend eine Kernfusion der Protonen des Wassers einsetzt?

    Diese Frage habe ich auch Mierk Schwabe gestellt, aber Mierk Schwabe fusioniert ihre Plasmen nicht. 🙂

    In dem obigen, sehr schönen Diagramm fehlen nur noch die Fissions- und Fusionsbomben, aber vielleicht liegen diese hinter der Trägheitsfusion (?).

    Mit Dank für die Antworten im Voraus,
    und mit freundlichen Grüßen,
    Karl Bednarik.

  2. eine Antwort

    @Karl:
    rein statistisch gesehen wird dort mit Sicherheit die Wahrscheinlich für eine Fusion zweier Protonen erhöht, aber ich habe so ein Gefühl, dass Sie diese Antwort nicht zufriedenstellen wird 😉
    Die Fissionsbombe läge temperaturmäßig ungefähr auf einer Höhe mit der magnetischen Fusion, wäre von der Dichte her aber etwas höher, wobei es bei solchen extrem dynamischen Prozessen schwierig ist genaue Angaben zu machen, da man sich ja auch auf einen Zeitpunkt während der ablaufenden Explosion festlegen muss.

  3. Danke

    Absolut alle Antworten sind zufrieden stellend.

    Es muß ja nicht unbedingt ein Doomsday Device sein.

    Die Dissipation der Energie erfordert eine Abstrahlung der elektromagnetischen Energie nach außen.

    Die nackten Sauerstoffkerne des Wassers verhalten sich bei hohen Energien völlig inert.

  4. Energie

    @Karl:
    Ein Großteil der Energie einer Atombombe wird aber in Form von kinetischer Energie abgegeben, was auch die extreme Druck-/Hitzewelle erklärt. Und dass sich bei so hohen Energien irgendetwas inert verhält, bezweifel ich… 😉

  5. Protonen

    Protonen entweichen als Strahlung.

    Das kinetische Modell ist verhältnismäßig einfach.

    Eine Sauerstoff 16 mit Proton Reaktion ist ziemlich unwahrscheinlich.

    Wer oder was kühlt diese heiße Gasblase?

  6. Strahlung

    @Karl:
    Sicherlich entweichen Protonen, aber das ist dann Teilchenstrahlung und keine Strahlung als elektromagnetische Energie (um aus ihrem 2ten und 3ten Kommentar heraus kein Missverständnis aufkommen zu lassen).
    OK, dass der Sauerstoffkern selber weiter zu schwereren Elementen fusioniert ist unwahrscheinlich, da man hier nochmal höhere Temperaturen benötigt.
    Gekühlt wird diese Blase durch Reibung (Stöße) mit den umgebenden Teilchen – in Ihrem Beispiel also jede Menge Wasser.

Schreibe einen Kommentar