Udarnye volny v kosmose

Obrazovanie U.v. rassmotrim na sleduyushem primere. Pust' v dostatochno dlinnuyu trubu, napolnennuyu pervonachal'no nepodvizhnym gazom, vdvigaetsya s postoyannoi skorost'yu porshen'. Gaz pered porshnem szhimaetsya, ego davlenie privodit v dvizhenie sleduyushii sloi. Sostoyanie dvizheniya peredaetsya v gaze so skorost'yu zvuka, mozhno skazat', chto v gaze rasprostranyaetsya zvukovaya volna. Poskol'ku porshen' dvizhetsya v odnom napravlenii, eta volna ne sostoit iz szhatii i razrezhenii, kak volna ot koleblyusheisya membrany. Prosto gaz pered porshnem postepenno prihodit v dvizhenie. Esli skorost' porshnya men'she skorosti zvuka v gaze, to zvukovye volny uhodyat ot nego i postepenno ves' gaz v trube nachinaet dvigat'sya so skorost'yu, blizkoi k skorosti porshnya. Pust' teper' porshen' dvizhetsya so skorost'yu, prevyshayushei skorost' zvuka. Togda zvukovye volny ne uspevayut uiti ot porshnya i bystro prodvinut' oblast' szhatiya gaza na bol'shie rasstoyaniya. Iz-za etogo vozrastayut plotnost' gaza neposredstvenno pered porshnem, temperatura gaza, a sledovatel'no, i skorost' zvuka, k-raya uvelichivaetsya do teh por, poka ne stanet vozmozhnym perenos oblasti szhatiya gaza vpered ot porshnya.

Gaz pered porshnem s nastupleniem etogo momenta rezko delitsya na dve chasti - odna, prilegayushaya k porshnyu, dvizhetsya, drugaya ostaetsya nepodvizhnoi, t.k. ona ne uspevaet priiti v dvizhenie pod vozdeistviem zvukovyh voln. Nepodvizhnyi gaz sloi za sloem prihodit v dvizhenie lish' togda, kogda poluchaet tolchok ot gaza, dvizhushegosya pered porshnem. Granica mezhdu dvizhushimsya gazom i nepodvizhnym rezkaya, ona predstavlyaet soboi front U.v. Skorost' fronta neskol'ko bol'she, chem skorost' porshnya, tak chto tolshina sloya szhatogo gaza i ego massa vse vremya rastut. Prohozhdenie fronta U.v. rezko menyaet svoistva gaza - skachkom vozrastayut ego plotnost', davlenie, temp-ra. Poskol'ku skorost' prevrasheniya energii napravlennogo, uporyadochennogo dvizheniya chastic gaza v energiyu haoticheskogo, teplovogo dvizheniya proporcional'no gradientam (perepadam) plotnosti, temp-ry, skorosti, to vnutri fronta U.v., gde eti gradienty veliki, proishodit usilennaya dissipaciya (prevrashenie) kinetich. energii sverhzvukovogo dvizheniya gaza v teplotu. Uvelichenie temp-ry gaza za frontom sil'noi U.v. proporcional'no kvadratu ee skorosti.

Vo vnesh. sloyah atmosfer zvezd, v tumannostyah, v mezhplanetnoi i mezhzvezdnoi srede gradienty (plotnosti, temp-ry i dr.) maly, poetomu v etih sredah dissipaciya kinetich. energii ne igraet zametnoi roli. Odnako vo mnogih kosmich. yavleniyah U.v. igrayut vazhnuyu rol'. Napr., solnechnyi veter naletaet na zemnuyu magnitosferu so skorost'yu ok. 500 km/s (bol'she skorosti zvuka v nei), zatem on dolzhen vnezapno ostanovit'sya iz-za davleniya magn. polya Zemli. Na granice magnitosfery obrazuetsya oblast' plotnoi plazmy s vysokoi temp-roi i s intensivnoi plazmennoi turbulentnost'yu, k-raya sluzhit peredatochnym zvenom v anomal'no 'ystroi dissipacii kineticheskoi energii solnechnogo vetra v teplotu. Esli by skorost' solnechnogo vetrabyla men'she skorosti zvuka (~ 10 km/s), to oblast' szhatiya rasshirilas' by v napravlenii Solnca i privela by k perestroike potoka i spokoinomu obtekaniyu im magnitosfery.

Tolshina fronta U.v. opredelyaetsya dissipativnymi processami. V plotnom gaze (plazme), gde molekulyarnye (atomarnye, elektronnye) vyazkost' i teploprovodnost' sushestvenny, tolshina fronta U.v. - poryadka dliny volny svobodnogo probega chastic. Zdes' imeet mesto neposredstvennaya dissipaciya kinetich. energii v teplotu. V bolee razrezhennoi (besstolknovitel'noi) plazme kinetich. energiya U.v. ne mozhet srazu pereiti v teplotu i voznikayut besstolknovitel'nye udarnye volny.

V silu deistviya principa vmorozhennosti magn. silovyh linii v veshestvo (sm. Magnitogidrodinamika) odnovremenno so szhatiem gaza v U.v. uvelichivaetsya i napryazhennost' magn. polya. Esli pole parallel'no frontu i szhatie ne soprovozhdaetsya dissipaciei energii za schet izlucheniya, to vozrastanie magn. polya opredelyaetsya sootnosheniem:
,
gde i H₁ - plotnost' gaza i napryazhennost' magn. polya pered frontom U.v., i H₂ - znacheniya etih zhe parametrov za frontom U.v., - otnoshenie teploemkostei gaza pri postoyannom davlenii i postoyannoi plotnosti. Pri etom dlya ustoichivosti fronta U.v. v plazme v magn. polem neobhodimo, chtoby skorost' naletayushego na U.v. potoka plazmy (esli ona nepodvizhna) ili skorost'U.v. v nepodvizhnoi plazme byla by bol'she skorosti magnitozvukovyh voln (v chastnochti, al'venovskoi skorosti, sm. Plazma).

Uvelichennie temp-ry i plotnosti v U.v. usilivaet izluchatel'nuyu sposobnost' gaza. Pri etom energiya ishlucheniya mozhet besprepyatstvenno unosit'sya iz oblasti fronta U.v. V podobnyh U.v. s vysvechivaniem znachit. chast' kinetich. energii prevrashaetsyav energiyu izlucheniya, i zdes' skachki i H ne ogranicheny predelom, ustanavlivaemym vysheprivedennoi f-loi. U.v. s vysvechivaniem mogut uplotnyt' gaz v mezhzvezdnom prostranstve v nesk. desyatkov raz. S drugoi storony, sil'noe magn. pole umen'shaet szhatie gaza v U.v. i, sledovatel'no, umen'shaet dissipaciyu energii. U.v. s vysvechivaniem chasto vstrechayutsya v mezhzvezdnom prostranstve (stolknoveniya oblakov mezhzvezdnogo gaza, dvizhenie obolochki, sbroshennoi novoi ili sverhnovoi zvezdoi, i t.p., sm. Ostatki vspyshek sverhnovyh). Podobnye U.v. mogut nablyudat'sya, esli oni dostatochno intensivny, v forme voloknistyh tumannostei.

Specificheski kosmich. vidom U.v. yavl. ionizacionnye razryvy. Na granice mezhdu oblastyami mezhzvezdnogo vodoroda HI i HII (sm. Mezhzvezdnyi gaz) sravnitel'no rezko menyaetsya stepen' ionizacii vodoroda ot pochti polnoi v HII do pochti nulevoi v HI. Poetomu ioniziruyushee vodorod izluchenie zvezd pochti polnost'yu pogloshaetsya neitral'nymi atomami v predelah etogo perehodnogo sloya. Sledovatel'no, zdes' chast' energii, ostavshayasya u elektronov posle ih otryva ot atoma, prevrashaetsya v teplotu, nagrevaya gaz i povyshaet ego davlenie. V svoyu ochered', eto vyzyvaet dvizhenie gaza cherez ionizac. razryv. Issledovanie ionizac. razryvov provoditsya temi zhe metodamiYu chto i obychnyh U.v. Esli vblizi zony HII imeetsya plotnaya tumannost', to ionizac. razryvy nablyudayutsya v vide svetyashihsya obodkov - rimov.

U.v. takzhe voznikayut v nedrah zvezd pri gravitacionnom kollapse, pri dvizhenii v mezhzvezdnoi srede sbroshennyh zvezdami obolochek, pri vspyshkah na Solnce i na zvezdah - vspyhivayushie zvezdy tipa T Tel'ca, pul'siruyushie peremennye zvezdy, gde U.v. srazu perenosyat energiyu iz bolee glubokih sloev naruzhu. Zdes' tolshina fronta U.v. ochen' mala, no zato v etih sluchayah vazhno uchityvat' usloviya dvizheniya U.v. v neodnorodnoi srede. Kak pravilo, pri perehode ot bolee plotnoi k menee plotnoi srede skorost' U.v. uvelichivaetsya.

Lit.:
Kaplan S.A., Pikel'ner S.B., Fizika mezhzvezdnoi sredy, M., 1979; Gorbackii V.G., Kosmicheskaya gazodinamika, M., 1977.

(S.A. Kaplan)