Ученые исследовали эффект динамо в масштабах небесных тел
 Магнитное поле Земли. |
|
||||||||
Магнитные поля небесных тел можно встретить во Вселенной повсеместно. К примеру, Земля имеет магнитное поле, которое превращает намагниченную стрелку в удобный инструмент навигации. Другие планеты, Солнце и большинство звезд также имеют собственные магнитные поля. Принято считать, что большинство небесных тел поддерживают свои магнитные поля за счет эффекта динамо, т.е. за счет преобразования кинетической энергии электропроводящей, но электрически нейтральной жидкости или плазмы, в энергию магнитного поля.
До 1950-х годов ученые сомневались в том, что эффект динамо может проявляться в однородной проводящей среде, но физика этого явления достаточно проста. Жидкость движется в соответствии с линиями магнитного поля и усиливает существующее поле, при этом усиление происходит с той же скоростью, что и омическая диссипация энергии. Процесс характеризуется магнитным числом Рейнольдса, аналогичным знакомому из гидродинамики числу Рейнольдса (в котором кинетическая вязкость заменена магнитной диффузией). Потоки жидкостей с одинаковыми числами Рейнольдса идентичны друг другу с точностью до масштабных факторов. Именно за счет этого подобия характеристики, к примеру, крыла самолета могут быть опробованы в гидродинамической трубе на модели этого крыла. Точно также магнитодинамические течения идентичны при равных магнитных числах Рейнольдса, что позволяет воспроизвести в лабораторных условиях процессы, происходящие в ядрах планет.
Астрофизический и планетарный динамо-эффект много раз моделировался с помощью уравнений Навье-Стокса для равномерных течений, а также уравнения для магнитной индукции. Однако динамо-машины на практике могут быть построены на турбулентных потоках, таким образом, реалистичное моделирование сталкивается с теми же трудностями, что и моделирование процесса обтекания крыла самолета. Точный расчет таких потоков невозможен на доступных на сегодняшний день вычислительных ресурсах. Соответственно, как и любое гидродинамическое моделирование, расчет астрофизического или планетарного динамо должен быть дополнен экспериментом.
В своей последней работе группа ученых из Ecole Normale Supérieure (Франция) впервые наблюдала локализованные магнитные поля в лабораторных условиях, благодаря устройствам, воспроизводящим ключевые элементы астрофизических и планетарных динамо-машин. Надо отметить, что лабораторное моделирование подобных процессов затруднено тем, что приходится работать с такими магнитными числами Рейнольдса, которые подразумевают слишком большое значение напряженности для самогенерируемых полей. Обычно для этого необходим объем в несколько кубометров жидкого натрия, потоки в котором движутся со скоростью несколько метров в секунду. Таким образом, заслуга ученых в том, что они смогли «сломать» барьер, стоящий перед экспериментаторами и заключающийся в больших числах Рейнольдса. Они нашли способ упростить эксперимент, используя явление локализованных полей. Хотя факт применимости данной теории к астрофизике пока не нашел прямого экспериментального доказательства, однако есть косвенные факторы (астрономические наблюдения XVI – XVII веков), доказывающие правоту ученых.
Хотя французские ученые в ходе своих экспериментов решали частную задачу, ими был предложен подход, с помощью которого в будущем можно исследовать магнитодинамические явления, не доступные моделированию с помощью «прямого» подхода через подобие. Данный подход поможет лучше понять физику динамо-механизма планет и звезд.
Подробные результаты работы были опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Также по теме:
- 2012: инверсия магнитного поля Земли происходит каждую геологическую эпоху
- Лазеры помогут очистить околоземное пространство от космического мусора
- Мир с двумя солнцами
- Расширена область устойчивых орбит для планет в кратных звездных системах
- Необыкновенное сжатие черной дыры
Источники: