Дмитрий Соколов - Небесные магниты. Природа и принципы космического магнетизма [litres]

Так или иначе, шкала геомагнитных полярностей устроена сложно, и эта сложность тоже нуждается в объяснении. Пора переходить к вопросу о том, что, собственно, определяет природу и свойства магнетизма небесных тел.

Рассказ о природе магнитных полей галактик, Солнца и Земли нужно начать с того, что космический магнетизм очень необычен для мира земной, повседневной физики. В этой привычной физике мы сталкиваемся с магнетизмом в двух ситуациях.

Не упоминая о магнитном поле Земли, можно сказать, что исторически люди впервые столкнулись с магнетизмом, заметив поведение ферромагнитной стрелки. Стрелка реагирует на магнитное поле Земли, которое относится к предмету нашего разговора, но сама она сделана из материала, свойства которого определяются сложными квантово-механическими процессами. Ферромагнетизм чем-то похож на сверхтекучесть и сверхпроводимость – это явление существует только при достаточно низких температурах. Когда температура превышает некоторое критическое значение (оно называется точкой Кюри), ферромагнетизм исчезает и магнит превращается просто в немагнитный кусок металла. То, что точка Кюри, скажем, для железа довольно высокая по человеческим меркам (для чистого железа справочник дает 1043° Кельвина), по меркам физики не так существенно.

Ферромагнетизм связан со сложным строением кристаллической решетки магнитного материала. Это совсем не вяжется с представлением о солнечной плазме, не говоря уже об очень разреженном межзвездном газе галактик. С точкой Кюри тоже возникают проблемы: Солнце и недра Земли очень горячие. Ясно, что ответ нужно искать не в области квантовой физики твердых тел.

Другое знакомое нам проявление магнетизма – электромагниты. Вспоминается знакомый из школьной программы опыт Эрстеда с магнитным полем вокруг провода с током. В данном случае магнитное поле возникает в конечном счете благодаря тому, что где-то далеко находится электростанция, которая гонит по проводам электрический ток.

Допустим, в аудитории, где мы обсуждаем эти вопросы, горит свет. По проводам течет ток. Он создает магнитное поле. Представим на минуту, что среди нас нашелся любознательный человек, который перерезал провод ножницами. Во-первых, его ударит током, что будет, возможно, поучительно для остальных: не стоит портить университетское имущество. Но гуманизм рекомендует ограничиться здесь мысленным экспериментом. Свет погаснет, а магнитное поле исчезнет. Это произойдет практически мгновенно, потому что коэффициент магнитной диффузии среды (величина, обратно пропорциональная проводимости) довольно велик.

Совершенно по-другому обстоит дело в космической среде. Прежде всего, из-за колоссальных размеров небесных тел (по сравнению с земными масштабами) магнитное поле в них затухает очень медленно. Возможно, в недрах Солнца существует область, в которой совершенно нет движений. В этом случае магнитное поле в ней может существовать практически вечно и его не нужно поддерживать внешними источниками. Ключевые слова тут: совершенно нет движений.

Если диффузия, которая размазывает в пространстве магнитное поле, мала, то магнитное поле «приклеено» к среде, в которой находится. Если среда движется, то вместе с ней движется и магнитное поле. Красивым образом вмороженным магнитным полем, да и многими вытекающими из этого образа идеями наука обязана замечательному шведскому физику, лауреату Нобелевской премии Ханнесу Альвену.

Если диффузия мала, то в среду вморожено не только магнитное поле, но и температура и примесь, то есть частицы, находящиеся в среде. В таком случае говорят, что магнитное поле можно рассматривать как примесь.

Хотелось бы как-то количественно выражать мысль о вмороженности, то есть о том, что движения среды гораздо важнее, чем диффузия. Физика – а если точнее, гидромеханика – выработала специальный язык для того, чтобы как-то характеризовать степень вмороженности магнитного поля. Для этого нужно сравнить диффузию и перенос с помощью макроскопических течений (для него есть ученое слово – «адвекция»). Простейшая и очень плодотворная идея – построить из скорости и других имеющих отношение к делу характеристик число той же размерности, что и коэффициент диффузии, и поделить это число на коэффициент диффузии. Получится число, которое показывает, насколько адвекция важнее диффузии. Делить нужно для того, чтобы получилось безразмерное число: про него можно сказать, большое оно или маленькое, а про числа с размерностью (как говорят в школе, именованные числа) трудно сказать, велики они или малы, если неясно, с чем их сравнивать. Например, километр как длина стороны квадратного садового участка – огромная величина, такой участок не займешь домом, цветником и огородом, и уход за ним потребует целой бригады садовников. А по сравнению с расстоянием хотя бы от Москвы до Петербурга это величина совсем небольшая. С такой точностью это расстояние просто не определено, ведь оба города вовсе не точки, и их размеры побольше километра.

Научная традиция связывает эту несложную, но очень полезную идею с именем английского ученого Осборна Рейнольдса (его не стоит путать с однофамильцем-художником). Поскольку диффузия магнитного поля, температуры и примеси все-таки разные вещи, то возникают разные безразмерные числа, которые принято называть именами ученых, внесших важный вклад в близкие области механики и физики (здесь нужно быть политически корректным: вопрос о том, является ли механика частью физики, не менее болезненный, чем норманнская проблема).

Безразмерное число, которое получается для магнитного поля, принято называть магнитным числом Рейнольдса. Оно строится так: характерная скорость умножается на характерный размер – у этой комбинации размерность коэффициента диффузии. То, что получится, делится на коэффициент диффузии. Напомним, что коэффициент диффузии магнитного поля обратно пропорционален проводимости.

Магнитное число Рейнольдса на Солнце – порядка 100 млн, также записывается как 10 8. Это значит, что магнитное поле очень хорошо вморожено в среду, из которой состоит Солнце. Для сравнения, практически во всех течениях проводящих сред, которые приходят сразу в голову, магнитное число Рейнольдса безнадежно меньше единицы.

Проблема отчасти заключается в том, что в окружающем нас мире просто очень мало проводящих жидкостей. Конечно, есть, например, электролиты, соленая вода… да и само человеческое тело. Эта проводимость достаточна для того, чтобы не хвататься за оголенные провода бытовых приборов – ударит током. Ласточек, которые за окном сидят на проводах, током не бьет потому, что они сидят на одном проводе, так что не возникает электрической цепи: воздух не проводит ток. Все это очень важно в бытовом смысле, но с точки зрения достижения больших магнитных чисел Рейнольдса все это мелочи и совершенно несерьезно.