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

Чтобы хоть как-то начать разговор о магнитных числах Рейнольдса, применяемых в лабораторных условиях, нужно рассматривать потоки жидких металлов. Металлов, которые остаются жидкими при не очень высоких температурах, совсем немного. Это ртуть, галлий – вы о нем слышали? – и натрий, да и тот плавится при температуре около 100 ºС. Мало, чтобы металл был жидким, надо, чтобы его было много – скорость умножается на размер.

Если отвлечься от совершенно апокалиптических картин с тоннами раскаленного железа, вращающихся с чудовищной скоростью под действием совершенно непонятных сил, то остается жидкий натрий. У галлия проводимость ниже, да и цена намного больше. Ртуть очень дорогая, ее мало, да и гадость это такая, что и обсуждать не хочется. Натрий тоже порядочная гадость – читайте учебник химии. Температура в 100 ºС – также не подарок, но все же это разумный компромисс.

Эксперименты с жидким металлом очень непростая область экспериментальной физики. Это совсем не то же самое, что писать формулы на компьютере. Тем не менее такая область физики есть. Ее развивают в нескольких странах. Из наших зарубежных коллег хочется назвать ученых Франции, Германии и США – пожалуй, именно в этом порядке.

Совсем особый разговор про этот раздел науки в нашей стране и в сопредельных странах. Советский Союз был одним из признанных лидеров мировой магнитной гидродинамики – так называется область механики жидкостей, в которой важно магнитное поле. СССР был страной плановой экономики. У такой экономики есть достоинства и недостатки. Достоинства мы уже обсуждали – см. раздел про мониторинг солнечной активности. Что касается недостатков, то, если при составлении плана серьезно ошибиться и настаивать на своей ошибке, последствия приходится расхлебывать долго.

В СССР решили сделать Латвийскую ССР местом основных исследований магнитной гидродинамики. Кому-нибудь это решение может показаться странным. Мне, в частности. Латвия – прекрасная страна, но там мало горнодобывающей промышленности, нет больших металлургических заводов, ничего такого, что могло бы пользоваться результатами исследований по магнитной гидродинамике. Наверное, люди, которые принимали это решение, руководствовались какими-то другими соображениями.

Прошли годы. Сейчас нет СССР, зато есть Латвийская Республика. Недалеко от Риги есть город Саласпилс. В нем есть Институт физики – большая организация, занимающаяся опытами с жидкими металлами. Я с искренним уважением отношусь к независимой Латвии и желаю ее народу – как и всем другим – всяческих успехов и процветания. Многие мои хорошие знакомые работали в этом институте, некоторые там работают и сейчас. Но мне почему-то кажется, что опыты с жидким металлом – тяжелая ноша для этой небольшой страны.

Напротив, все это – цветная металлургия, разнообразные заводы с жидкими металлами – есть в России, на Урале. В частности, в Перми есть и Институт механики сплошных сред Уральского отделения Академии наук. Проблема только в том, что в советское время там не было специальной лаборатории, которая занималась бы экспериментами с жидкими металлами. Создать такую лабораторию в 1990-е было очень непросто – приходилось слышать, что в то время все только разваливалось. Однако сотрудники института блестяще справились с решением этой труднейшей задачи. Заведующим лабораторией является профессор П. Г. Фрик. В ней были получено несколько приоритетных результатов, о которых мы расскажем ниже.

Это не относится прямо к теме нашего разговора, но сотрудники лаборатории заодно сделали много такого, что очень полезно для уральских, да и не только уральских, заводов. Одни магнитные перемешиватели дорогого стоят. При плавлении некоторых металлов, магния например, металл нужно постоянно перемешивать. А как, собственно, это делать? Металл-то очень горячий. Оказывается, перемешивать можно магнитным полем. Не то чтобы люди раньше не видели такой возможности, но перемешиватели получились хорошие и работают на реальных заводах.

Хорошо, что все так хорошо кончилось, но лучше было бы подумать об этом заранее, тем более что далеко не все раны еще удалось залечить. Можно сказать, что трудно было предвидеть подобное развитие событий. По собственному опыту не могу с этим согласиться. Я уже рассказывал, что у меня жена из соседней с Латвией Литвы. Когда 50 лет назад мы оформили наш брак в маленьком литовском городке и я вернулся в Москву, мой дедушка спросил, что мы собираемся делать, когда Советский Союз распадется и Литва восстановит независимость. В тот момент такой вопрос казался совершенно неактуальным, но мы потратили необходимое время на его обдумывание. Следующие 50 лет у нас не было проблем ни по ту, ни по другую сторону границы.

Но мы немного отвлеклись. В целом в лучших современных лабораториях удается получить потоки жидких металлов, для которых магнитное число Рейнольдса составляет несколько десятков. Это намного меньше, чем на Солнце. Про другие небесные тела мы поговорим позднее.

Говоря о магнитном числе Рейнольдса, я все время оперирую приблизительными цифрами. Трудно точно объяснить, что такое характерная скорость и размер. Если рассматривать конкретное течение, можно точно фиксировать, как именно вычисляются эти величины, но трудно сформулировать точное правило, применимое на все случаи жизни. Поэтому приходится оперировать приблизительными цифрами – речь ведь сейчас идет о самых грубых оценках, которые потом придется уточнять.

Еще одно сравнение. Кроме магнитного числа Рейнольдса, вводят, естественно, и обычное число Рейнольдса, которое, кстати, даже гораздо известнее. Число Рейнольдса нужно для того, чтобы сравнить по величине эффекты адвекции и вязкости в потоке жидкости. Так вот, в самых простых гидродинамических экспериментах число Рейнольдса достигает тысяч. Именно в этой области чисел Рейнольдса возникают нерегулярные турбулентные течения воды, которые каждый может наблюдать, скажем, в потоке за плотиной. Когда мне случалось работать в университете Оулу на севере Финляндии, то путь из дома до работы (совсем рядом, километров пять, не больше) проходил по такой плотине, откуда открывался прекрасный вид на характерное в подобных случаях явление, которое называется дорожкой Кармана. Гидродинамика, пожалуй, самая трудная часть современной физики. С точки зрения теоретической физики трудность раздела определяется тем, насколько велики возникающие в них характерные числа. Для сравнения, в квантовой электродинамике характерное число составляет 1/137, его нужно сравнивать с тысячами. В квантовой хромодинамике характерные числа сравнимы с единицей, что уже гораздо труднее, но все-таки это не тысячи.