Magnitogidrodinamika

Prinyato razlichat' predmet i metody fiziki plazmy i M. V fizike plazmy rassmatrivayutsya kinetika chastic, ih raspredelenie po skorostyam i t.d. M. izuchaet usrednennoe dvizhenie vseh chastic, t.e. plazma v M. rassmatrivaetsya kak oploshnaya sreda. Poetomu M. dostatochno horosho opisyvaet sv-va "plotnoi" plazmy, gde velika chastota stolknovenii chastic, a dlina ih probega mala sravnitel'no s rasstoyaniyami, na k-ryh zametno menyayutsya makroskopich. harakteristiki dvizheniya.

Dvizhenie plazmy opredelyaetsya deistvuyushimi na nee silami. Odnoi iz nih yavl. gradient davleniya (kak i v neionizovannom gaze), k-ryi zavisit ot temp-ry i plotnosti plazmy. Davlenie obuslovlivaet soprotivlenie plazmy szhatiyu. Drugaya sila svyazana s magn. polem: na zaryazhennuyu chasticu, dvizhushuyusya v magn. pole, deistvuet sila (sm. Lorenca sila). V M. eta sila usrednyaetsya po vsem chasticam. Sr. znachenie sily proporcional'no plotnosti toka j (t.e. sile toka cherez ploshadku v 1 sm², perpendikulyarnuyu toku) i indukcii polya B.

Zaryazhennye chasticy plazmy (elektrony i iony) vzaimodeistvuyut svoimi elektrich. polyami na bol'shom rasstoyanii. Vyzvannye etim vzaimodeistviem otkloneniya v ih dvizhenii rassmatrivayutsya kak rezul'tat stolknovenii chastic. Stolknoveniya elektronov s ionami perevodyat chast' energii protekayushego v plazme elektrich. toka v teplotu (proishodit t.n. dzhoulevo zatuhanie toka). Zatuhanie toka zavisit ot chastoty stolknovenii chastic. Bystrye elektrony otklonyayutsya pri stolknoveniyah men'she, poetomu chislo stolknovenii kak by umen'shaetsya s rostom temp-ry T, kogda uvelichivaetsya sr. skorost' chastic.

Kolichestvenno dzhoulevo zatuhanie toka harakterizuetsya provodimost'yu plazmy . Vydelenie dzhoulevoi teploty v 1 sm³ polnost'yu ionizovannoi plazmy ravno v 1 s. Provodimost' ne zavisit ot plotnosti sredy i proporcional'na T^3/2. Dlya solnechnoi fotosfery ( K) ed. SGSE, dlya korony (10⁶ K) ed. SGSE, a v sloyah zemnoi ionosfery (10³ K) ed. SGSE (provodimost' medi ~ 10¹⁷ ed. SGSE).

Zatuhanie toka zavisit kak ot provodimosti, tak i ot znacheniya j. Esli poverhnost', cherez k-ruyu v plazme techet tok, velika, to pri tom zhe obshem toke znachenie j malo i dzhoulevo zatuhanie toka dazhe v bol'shom ob'eme neznachitel'no. V ob'eme plazmy, razmer k-rogo R, vremya zatuhaniya toka ravno:
(s).
Dlya bol'shih ob'emov vremya zatuhaniya, kak vidno iz etoi f-ly, mozhet byt' ochen' veliko. V kosmose vstrechayutsya oblaka plazmy ogromnoi protyazhennosti, tak chto k nim polnost'yu primenim etot vyvod.

Chtoby poyasnit' rol' zatuhaniya, rassmotrim zamknutuyu nakorotko katushku, po k-roi prohodit tok. Vnutri katushki imeetsya magnitnoe pole B, energiya kotorogo v ed. ob'ema ravna . Bez istochnikov eds tok iz-za dzhoulevyh poter' umen'shaetsya. Pri etom voznikaet eds indukcii, prepyatstvuyushaya umen'sheniyu toka. Magn. energiya podderzhivaet tok i postepenno rashoduetsya na nagrev provodnika. Takoi zhe process proishodit v sploshnoi masse provodyashego gaza, v k-roi cirkuliruet zamknutyi tok i imeetsya magn. pole. Iz skazannogo sleduet, chto za vremya zatuhaniem polya mozhno prenebrech'. Eto znachit, chto magnitnyi potok za vremya t prakticheski ne menyaetsya. Esli kontur za eto vremya deformiruetsya, to prohodyashii cherez nego magn. potok sohranyaetsya. Pri szhatii kontura uvelichivaetsya napryazhennost' polya. Usilenie polya proishodit vmeste s usileniem tokov, k-roe svyazano v svoyu ochered' s indukc. effektami.

Povedenie polya pri uslovii mozhno naglyadno opisat' kak vmorozhennost' silovyh linii v plazmu. Silovaya liniya kak by prikreplena k tem chasticam, k-rye nahodilis' na nei v nachal'nyi moment; kogda chasticy peremeshayutsya, oni uvlekayut liniyu za soboi. Pri polnoi vmorozhennosti (sootvetstvuyushei ochen' bol'shim znacheniyam provodimosti ) chasticy ionizovannogo gaza mogut lish' skol'zit' vdol' silovyh linii magn. polya, no ne mogut soiti s nih. V real'nyh usloviyah, pri konechnoi provodimosti i konechnom ob'eme plazmy, vmorozhennost' nepolnaya, silovye linii neskol'ko otstayut ot dvizhushegosya gaza, osobenno tam, gde malo rasstoyanie, na k-rom sushestvenno izmenyaetsya vektor B. Eti mesta harakterizuyutsya rezkimi povorotami silovyh linii.

Magnitnye sily.
Vmorozhennye silovye linii ne sleduyut passivno za dvizheniem sredy. Vsyakie izmeneniya konfiguracii silovyh linii privodyat k izmeneniyu tokov, tekushih v srede. V chastnosti, chem sil'nee zaputyvayutsya silovye linii i vozrastaet ih gustota (usilivaetsya magn. pole), tem sil'nee stanovitsya tok. A na tok v magn. pole deistvuet usrednennaya sila Lorenca. Eta sila prepyatstvuet szhatiyu puchka silovyh linii ili ih rastyazheniyu. Deistvie magn. sil mozhno naglyadno predstavit' kak deistvie natyanutyh (analog magn. natyazheniya) i szhatyh s bokov (analog magn. davleniya) rezinovyh nitei. Esli v pokoyasheisya provodyashei srede imeetsya magn. pole, to ono privedet sredu v dvizhenie, pri k-rom silovye linii, dvizhushiesya vmeste so sredoi, budut raspryamlyat'sya i rasshiryat'sya (othodit' drug ot druga), esli eto dopuskaetsya usloviyami na granicah. Esli zhe krome magn. sil sushestvenno i davlenie [imeetsya gradient (perepad) davleniya], to dvizhenie opredelyaetsya sovmestnym deistviem oboih faktorov. V srede s otnositel'no malym davleniem vnutr. dvizheniya v konce koncov privodyat k sostoyaniyu, kogda v kazhdoi tochke sredy, krome granic, magn. sila ravna nulyu. Pri etom komponenty magn. davleniya i natyazheniya vzaimno uravnoveshivayutsya. Takoe pole naz. bessilovym. V bessilovom magn. pole toki napravleny vdol' silovyh linii i sila Lorenca ravna nulyu. Takoe pole ne vyzyvaet vnutr. dvizhenii, no ono, kak i obychnoe pole, stremitsya vyzvat' rasshirenie vsei sredy, t.e. dlya granic sistemy ono ne yavl. bessilovym.

Deistvie magn. sil podchineno zakonu sohraneniya energii. Pri szhatii i iskrivlenii silovyh linii rabota vnesh. sil, preodolevayushih soprotivlenie polya, perehodit v magn. energiyu. Dvizheniya sredy, vyzvannye vnesh. prichinami, mogut sushestvenno deformirovat' pole tol'ko v tom sluchae, esli ih kinetich. energiya ili podderzhivayushaya ih raznost' davlenii bol'she energii magn. polya. Esli zhe pole s samogo nachala bylo otnositel'no sil'nym, to haotich. dvizheniya sredy ne mogut sushestvenno izmenit' konfiguraciyu silovyh linii, oni mogut tol'ko slegka iskrivit' ih.

Magn. sily igrayut bol'shuyu rol' v kosmich. srede. Magn. pole v spiral'nyh rukavah Galaktiki napravleno pribl. vdol' rukavov i imeet indukciyu Gs. Davlenie polya v napravlenii, perpendikulyarnom silovym liniyam, okazyvaetsya dostatochnym, chtoby uravnovesit' silu tyazhesti, deistvuyushuyu na gaz. Eto ne pozvolyaet mezhzvezdnomu gazu stech' k ploskosti Galaktiki i bystro skondensirovat'sya v zvezdy. Mozhno skazat', chto mezhzvezdnyi gaz sohranilsya blagodarya tomu, chto v nem est' magn. pole.

Drugoi primer. Perenos teploty iz bolee glubokih sloev Solnca k poverhnosti proishodit gl. obr. vsledstvie konvektivnyh dvizhenii. Eti dvizheniya iskrivlyayut, zaputyvayut silovye linii magn. polya Solnca. Odnako v solnechnyh pyatnah, gde pole dostigaet nesk. tys. Gs, magn. sily stol' veliki, chto ne dopuskayut zaputyvaniya silovyh linii i, t.o., pochti ostanavlivayut konvekciyu. A eto svyazano s umen'sheniem teplovogo potoka vverh. V rezul'tate pyatna imeyut bolee nizkuyu temp-ru i vyglyadyat temnee, chem okruzhayushie oblasti, gde pole slabee i konvekciya ne ostanovlena.

Nalichiem magn. sil ob'yasnyayut sushestvovanie solnechnyh protuberancev, k-rye predstavlyayut soboi oblaka sravnitel'no plotnogo gaza, visyashie ili dvizhushiesya vysoko nad poverhnost'yu Solnca v razrezhennoi korone. Eti gazovye oblaka dolzhny byli by bystro upast' na poverhnost' Solnca, no oni sushestvuyut dostatochno dolgo (inogda mesyacami), i lish' potomu, chto ih podderzhivaet magn. pole pyaten i aktivnyh oblastei. Pod deistviem vesa protuberanca silovye linii progibayutsya, gaz ne mozhet dvigat'sya vniz, ne uvlekaya silovyh linii, a natyazhenie poslednih prepyatstvuet etomu. V rezul'tate protuberanec "visit" na prognuvshihsya silovyh liniyah magn. polya, kak na uprugih nityah. Esli zhe silovye linii nakloneny, to gaz soskal'zyvaet vdol' nih i protuberanec v etom meste dlitel'no sushestvovat' ne mozhet.

Eshe odnim primerom deistviya magi. sil mozhet sluzhit' uderzhanie magn. polem bystryh chastic v ogranichennom ob'eme. Takie chasticy, napr., uderzhivayutsya v magnitosfere Zemli, gde geomagn. pole sozdaet svoeobraznuyu magnitnuyu lovushku (sm. Magnitosfery planet). Podobnye magn. lovushki mogut uderzhivat' chasticy pri uslovii, chto obshaya energiya chastic men'she energii magn. polya. Esli chislo chastic uvelichivaetsya, to oni rastyagivayut iznutri silovye linii, pri etom nablyudayutsya vozmusheniya geomagn. polya i "vysypanie" chastic iz lovushki.

Volny v plazme s magnitnym polem.
Vo vsyakoi uprugoi srede vozmozhno rasprostranenie voln. V vozduhe - eto zvukovye volny. Oni yavl. prodol'nymi, t.e. chasticy gaza koleblyutsya vdol' napravleniya, no k-romu rasprostranyaetsya volna. V plazme s magn. polem mozhet rasprostranyat'sya ne odin tip voln, kak v vozduhe, a nesk. tipov. Odin iz nih, nazyvaemyi al'venovskimi volnami, pohozh na volnu, k-raya rasprostranyaetsya vdol' natyanutogo rezinovogo shnura, esli tryahnut' ego konec. Rol' takogo uprugogo shnura igrayut silovye linii. Smeshennye vmeste s gazom v poperechnom napravlenii, oni blagodarya natyazheniyu nachinayut kolebat'sya. Voznikayut poperechnye k napravleniyu magn. polya kolebaniya gaza. Eti kolebaniya rasprostranyayutsya vdol' silovyh linii so skorost'yu , nazyvaemoi al'venovskoi skorost'yu. V al'venovskoi volne plotnost' gaza ne menyaetsya, ves' sloi kolebletsya poperek polya kak celoe. Krome voln Al'vena, vozmozhny eshe dva tipa voln, k-rye naz. magnitozvukovymi. Ih vozniknovenie obuslovleno, s odnoi storony, natyazheniem i davleniem silovyh linii, s drugoi - davleniem gaza, kak u zvukovyh voln. Volny eti ne yavlyayutsya ni chisto prodol'nymi, ni chisto poperechnymi. V otlichie ot voln Al'vena, gde energiya rasprostranyaetsya vdol' silovyh linii, v magnitozvukovyh volnah energiya mozhet rasprostranyat'sya prakticheski v lyubom napravlenii po otnosheniyu k silovym liniyam. Krome upomyanutyh v plazme vozmozhny eshe nek-rye tipy voln, svyazannye gl. obr. s vysokochastotnymi kolebaniyami (podrobnee ob etom sm. v st. Plazma).

Magnitogidrodinamich. volny (MGD-volny) igrayut bol'shuyu rol' v fizike solnechnoi atmosfery. Oni porozhdayutsya konvektivnymi dvizheniyami pod fotosferoi, rasprostranyayutsya vverh i tam zatuhayut, nagrevaya hromosferu i koronu Solnca. Pri dvizhenii volny vverh plotnost' gaza umen'shaetsya i energiya, k-ruyu neset volna, raspredelyaetsya na men'shee chislo chastic. Poetomu amplituda volny, idushei vverh, uvelichivaetsya. S rostom amplitudy volna prevrashaetsya v udarnuyu. Bystro zatuhaya, udarnaya volna nagrevaet atmosferu. Etim ob'yasnyayutsya bolee vysokie temp-ry hromosfery (10⁴ K i bolee) i korony (1-2 mln. K) po sravneniyu s fotosferoi (ok. 6000 K). Nagrev korony vyzyvaet i podderzhivaet istechenie veshestva iz Solnca (solnechnyi veter).

Magnitogidrodinamich. ravnovesie plazmy i kolebaniya plazmy mogut stat' neustoichivymi. Voznikshaya neustoichivost' privodit k razvitiyu plazmennoi turbulentnosti, k-raya predstavlyaet soboi slozhnyi process samoproizvol'nogo vozbuzhdeniya i vzaimodeistviya razlichnogo masshtaba dvizhenii plazmy i magn. polya. Obzor MGD-neustoichnvostei sm. v st. Neustoichivosti plazmy.

Lit.:
Pikel'ner S.B., Osnovy kosmicheskoi elektrodinamiki, 2 izd., M., 1966; Al'ven G., Fel'thammar K.-G., Kosmicheskaya elektrodinamika, per. s angl., 2 izd., M., 1967; Parker E.N., Kosmicheskie magnitnye polya, per. s angl., ch. 1-2, M., 1982.

(S.B. Pikel'ner)