КОСМИ́ЧЕСКАЯ МАГНИТОГИДРОДИНА́МИКА
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
КОСМИ́ЧЕСКАЯ МАГНИТОГИДРОДИНА́МИКА, раздел астрофизики, изучающий динамику течений проводящих жидкостей и ионизованных газов (плазмы) в магнитном поле в космич. условиях. Основы К. м. заложены в 1950-х гг. Х. Альвеном.
К явлениям, изучаемым К. м., относится, в частности, земной магнетизм: в недрах Земли происходят электромагнитные процессы, создающие магнитное поле нашей планеты. В пределах области размером ок. 10 земных радиусов это поле образует магнитосферу Земли. Состояние магнитосферы зависит также от электромагнитного поля солнечного ветра, которое, в свою очередь, определяется солнечной активностью – совокупностью электромагнитных явлений, наблюдаемых на Солнце.
К. м. рассматривает плазму в космосе как движущуюся сплошную среду, обладающую высокой электрич. проводимостью. В такой среде любые электрич. поля (напр., порождаемые градиентами газового давления) создают электрич. токи и, как следствие, магнитные поля.
В многочисл. приложениях К. м. широко используются методы магнитной гидродинамики. Отличит. особенностью К. м. является исследование огромных объёмов плазмы, определяемых гигантскими размерами астрономич. объектов (напр., звёзд). Время диссипации электрич. токов в этих условиях на много порядков превышает характерное время движений плазмы в астрономич. объектах (напр., период вращения Солнца), а довольно часто и характерное время их эволюции. Это позволяет пренебречь затуханием магнитного поля в космич. плазме и рассматривать её как идеальную среду, движущуюся вместе с магнитным полем. Магнитное поле рассматривают как совокупность силовых линий, скреплённых со средой («вмороженных» в неё). Это свойство существенно упрощает решение задач К. м., превращая понятие магнитной силовой линии из чисто геометрического (как для магнитного поля в вакууме) в материальное.
В космич. объектах плазма движется вместе с линиями магнитного поля (и соответствующими токами) или вдоль них, причём принципиальное значение имеет соотношение между кинетич. энергией течения плазмы и энергией магнитного поля. Слабое магнитное поле легко увлекается движениями плазмы. Её регулярные и хаотич. течения растягивают, изгибают и скручивают линии магнитного поля, придавая им сложную форму. Это может привести к усилению магнитного поля (т. н. динамо-эффект), что наблюдается, напр., внутри Солнца. Напротив, сильное магнитное поле, изменяясь во времени, само приводит в движение плазму, напр. в атмосфере Солнца во время солнечных вспышек.
«Вмороженность» линий магнитного поля позволяет объяснить существование материальных объектов, вытянутых вдоль этих линий. Так, в атмосфере Солнца существуют участки плотной холодной плазмы, которые под действием силы тяжести прогибают линии магнитного поля и могут удерживаться на них, как на упругих нитях. Такие образования, называемые спокойными протуберанцами, могут в течение нескольких недель висеть над поверхностью Солнца. Внутри активных протуберанцев наблюдаются быстрые движения, а сами они нередко выбрасываются вверх силами натяжения линий магнитного поля со скоростями порядка нескольких сотен километров в секунду.
Наиболее интересное явление в К. м. связано с нарушением «вмороженности» в тех точках пространства, где магнитное поле обращается в нуль. В присутствии электрич. поля здесь происходит разрыв линий магнитного поля и их соединение иным способом. С этим эффектом, называемым магнитным пересоединением (пересоединением магнитных силовых линий), связано накопление энергии магнитного поля перед солнечной вспышкой и её освобождение во время вспышки.
К. м. является частью т. н. плазменной астрофизики – науки, которая использует методы физики плазмы для интерпретации астрофизич. явлений. Плазменная астрофизика учитывает кинетич. эффекты, характерные для высокотемпературной плазмы, и поэтому имеет более широкую, чем К. м., область применимости. Напр., позволяет объяснить ускорение заряженных частиц до высоких энергий в областях магнитного пересоединения во время вспышек в коронах звёзд и аккреционных дисков, а также в релятивистских космич. объектах (нейтронных звёздах, чёрных дырах).