আগে জিওফিজিক্সের বিষয় ছিল মূলত পৃথিবীর ইন্টেরিয়র, কিন্তু এখন পৃথিবীর এটমস্ফিয়ার ও নেবারহুডও এই ফিজিক্সের মধ্যে স্টাডি করা হয়। আমাদের নেবারহুডের বা আসলে পুরা সোলার সিস্টেমের পদার্থ কঠিন, তরল, বায়বীয় কোনোটাই না, বরং প্লাজমা অবস্থায় আছে। আসলে ইউনিভার্সের মোট পদার্থের ৯৯ পার্সেন্টই প্লাজমা। তাই প্লাজমা কি তা বুঝা স্পেস ফিজিক্সের জন্য জরুরি।

প্লাজমা হলো চার্জড পার্টিকেলের একটা আয়নিত গ্যাস যেখানে ফ্রি পজিটিভ ও নেগেটিভ চার্জ ক্যারিয়ার আছে সমান সমান। এই কারণে স্টেশনারি অবস্থায় প্লাজমা কোয়াজাইনিউট্রাল ধরা হয়। বাইরে থেকে একে নিউট্রাল মনে হয়। আর ফ্রি পার্টিকেল তাকেই বলে যার পটেনশাল এনার্জির চেয়ে কাইনেটিক এনার্জি বেশি। এই কারণে প্লাজমার টেম্পারেচারও বেশি, কারণ টেম্পারেচার কাইনেটিক এনার্জির পরিমাপ।

স্টেশনারি অবস্থায় প্লাজমা যাতে কোয়াজাইনিউট্রাল হয়, সেজন্য মাইক্রোস্কোপিক স্কেলে এক কণাদের চার্জ এমনভাবে ক্যান্সেল হতে হবে যাতে ম্যাক্রোস্কোপিক স্কেলে গ্যাসটাকে নিউট্রাল মনে হয়। একটা চার্জ $q$ থেকে $r$ দূরত্বে কুলম্ব পটেনশাল

$$ \phi_C = \frac{q}{4\pi\epsilon_0 r} $$

যেখানে $\epsilon_0$ ফ্রি স্পেসে পার্মিটিভিটি। এই পটেনশালের মধ্যে যাতে অন্য চার্জের পটেনশালের প্রভাব পড়তে না পারে সেজন্য এটাকে শিল্ড করতে হবে। এই শিল্ডেড পটেনশালের নাম ডেবাই পটেনশাল, গাণিতিকভাবে

$$ \phi_D = \frac{q}{4\pi\epsilon_0 r} e^{-r/\lambda_D} $$

যেখানে $\lambda_D$ কে বলে ডেবাই লেন্থ। একটা চার্জের ডেবাই লেন্থের বাইরে, মানে $r > \lambda_D$ হলে পটেনশাল কমতে থাকে এক্সপোনেনশালি। থার্মাল কাইনেটিক এনার্জি নিউট্রালিটি কমাতে চায়, ইলেক্ট্রোস্ট্যাটিক পটেনশাল এনার্জি নিউট্রালিটি আবার ফেরাতে চায়, এবং ডেবাই লেন্থে এই দুই এনার্জির মধ্যে একটা ভারসাম্য তৈরি হয়। ডেবাই লেন্থ

$$ \lambda_D = \left(\frac{\epsilon_0 k_B T_e}{n_e e^2}\right)^{1/2} $$

যেখানে $k_B$ বোল্টজমান কনস্টেন্ট, $e$ ইলেক্ট্রনের চার্জ, $T_e$ ইলেক্ট্রনের টেম্পারেচার যা আয়ন টেম্পারেচার $T_i$-এর সমান, $n_e$ ইলেক্ট্রনের ডেন্সিটি যা আয়ন ডেন্সিটি $n_i$-এর সমান। এই ইকুয়েশনের প্রমাণ আমাদের কোর্সের আওতার বাইরে। টেম্পারেচারের সংজ্ঞা আরো একজাক্ট করা যায়, কিন্তু আমরা এভারেজ এনার্জি ও টেম্পারেচারের মধ্যে এই সম্পর্কটাই আপাতত ধরে নিব: $\langle E \rangle = k_B T$।

কোয়াজাইনিউট্রাল হতে হলে একটা প্লাজমার ফিজিকেল লেন্থ ডেবাই লেন্থের চেয়ে অনেক বেশি হতে হবে, শর্তটা হলো $L \gg \lambda_D$। এই শর্ত পূরণ না হলে সব চার্জের যৌথ শিল্ডিং কাজ করবে না। এই শর্তকে তাই অনেক সময় প্রথম প্লাজমা ক্রাইটেরিয়ন বলে।

ডেবাই লেন্থের রেডিয়াস দিয়ে একটা ডেবাই স্ফিয়ার চিন্তা করা যায়। প্লাজমা হতে হলে এই স্ফিয়ারের মধ্যে যথেষ্ট সংখ্যক পার্টিকেল থাকতে হবে। স্ফিয়ারটার ভলিউম $(4\pi/3) \lambda_D^3$ যাকে ইলেক্ট্রন ডেন্সিটি দিয়ে গুণ করলে মোট পার্টিকেলের সংখ্যা হয়

$$ N = \frac{4\pi}{3} \lambda_D^3 n_e $$

যার মধ্যে $\Lambda = \lambda_D^3 n_e$ কে বলা হয় প্লাজমা প্যারামিটার। এখান থেকেই আসে দ্বিতীয় প্লাজমা ক্রাইটেরিয়ন:

$$ \Lambda \gg 1 $$

অর্থাৎ মোট পার্টিকেল একের চেয়ে অনেক বেশি হতে হবে। এই ইকুয়েশনে ডেবাই লেন্থের ফুল ফর্ম বসালে পাওয়া যায়

$$ n_e^{1/3} \ll k_B T_e $$

যা দ্বিতীয় ক্রাইটেরিয়নের অর্থ পরিষ্কার করে। পটেনশাল এনার্জি যেহেতু উপরের ডেন্সিটির সমানুপাতিক, সেহেতু বলা যায়, মিন পটেনশাল এনার্জিকে মিন এনার্জির ($\langle E \rangle$) তুলনায় অনেক কম হতে হবে।

কোয়াজাইনিউট্রাল একটা প্লাজমাকে যখন বাইরে থেকে ডিস্টার্ব করা হয় তখন তার ইলেক্ট্রনরা আবার আগের নিউট্রাল দশায় ফিরে যেতে চায়। আয়ন না ধরে ইলেক্ট্রনের গতির কথা বলা হচ্ছে কারণ অন্যান্য আয়নের তুলনায় ইলেক্ট্রন অনেক হালকা। বাইরের ডিস্টার্বেন্সের কারণে প্লাজমার ইলেক্ট্রনদের মধ্যে একটা এভারেজ অসিলেশন তৈরি হয় তুলনামূলক ম্যাসিভ আয়নদের চারদিকে। এর নাম প্লাজমা ফ্রিকোয়েন্সি, গাণিতিকভাবে

$$ \omega_{pe} = \left(\frac{n_e e^2}{m_e \epsilon_0} \right)^{1/2} $$

যেখনে $m_e$ ইলেক্ট্রনের ম্যাস। এই ইকুয়েশনের প্রমাণও কোর্সের আওতার বাইরে, তবে এর মূল শিক্ষা হলো, প্লাজমা ফ্রিকোয়েন্সি ইলেক্ট্রন ডেন্সিটির বর্গমূলের সমানুপাতিক।

পৃথিবীর আয়নোস্ফিয়ারের মতো প্লাজমাকে আবার বিশুদ্ধ প্লাজমা বলা যায় না। এখানে ফ্রি পার্টিকেলের পাশাপাশি অনেক নিউট্রাল এটম আছে। নিউট্রালদের সাথে ফ্রি চার্জের অনেক কলিশন হলে দুয়ের মধ্যে একটা ভারসাম্য তৈরি হয় এবং প্লাজমাটা তখন নিউট্রাল গ্যাসের মতো আচরণ করে। এটা ঠেকানোর জন্য ইলেক্ট্রনদেরকে কলিশন থেকে বিরত থাকতে হবে। এই শর্তকে কেন্দ্র করে বানানো হয়েছে তৃতীয় প্লাজমা ক্রাইটেরিয়ন:

$$ \omega_{pe} \tau_n \gg 1 $$

যেখানে $\tau_n$ ইলেক্ট্রন ও নিউট্রালের মধ্যে দুইটা কলিশনের মধ্যবর্তী এভারেজ সময়। এর মূলকথা এই: প্লাজমা ফ্রিকোয়েন্সিকে হতে হবে কলিশন ফ্রিকোয়েন্সির চেয়ে অনেক বেশি।