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

Как же оценить влияние этих потоков? В Саге о науке, сохранившей нам научный фольклор недавнего прошлого, рассказывается об исторической встрече двух английских гидромехаников – Джефри Тейлора и Льюиса Ричардсона – в пабе на берегу моря. В ходе этой встречи два ученых мужа пошли гулять на пирс, откуда бросали в воду всякий мусор и наблюдали за тем, как волны переносят его. «Бросая в воду камешки, наблюдай круги, ими образуемые. Иначе твое занятие будет пустой забавой», – проницательно заметил классик. Тейлор как настоящий ученый внимательно наблюдал за происходящим. Щепки болтались в воде более или менее случайным образом, совершая беспорядочные скачки. Каждый новый скачок был, естественно, непредсказуем, но в сумме просматривалась определенная закономерность. Удаление щепки от места, где естествоиспытатели бросили ее в воду, росло примерно как квадратный корень из времени. Это как раз тот закон, по которому, в соответствии с уравнением теплопроводности, распространяется температура или примесь. Коэффициент в этом законе тоже легко оценить: он выражается через среднеквадратичную скорость и размер вихрей воды, и других вариантов просто нет.

Точно по такому же закону распространяется и примесь в результате диффузии. Это и понятно, ведь диффузия тоже результат случайных блужданий. Разница только в коэффициенте диффузии: вычисленный с помощью скорости и масштаба гидродинамических движений, этот коэффициент несравненно больше, чем приведенный в справочниках для неподвижной среды. Это не упущение справочников – новый коэффициент диффузии зависит в основном не от состава среды, а от ее течений, а в справочниках их не перечислишь.

Об этой истории рассказано в школьном учебнике физики, только в ней не упоминаются ни Тейлор, ни Ричардсон, ни поход в паб на берегу моря.

Случайные течения проще всего возникают в турбулентных потоках (за плотиной, например). Поэтому новый коэффициент диффузии часто называют турбулентным. Немного сложнее дело обстоит в чайнике. Там нагревание происходит в два этапа. Сначала нагревается очень узкий слой воды вблизи нагревателя, а потом возникает конвекция, которая и переносит тепло. Коэффициент диффузии называют в этой связи конвективным, а производителям электрических чайников советуют ставить нагревательные элементы на дне – так легче возникает конвекция.

Вообще мне кажется, что магнаты парфюмерной промышленности и другие интересанты должны соревноваться за честь финансово поддерживать эти исследования. Пока про это не слышно – наверное, известие о работах по турбулентной диффузии еще до них не дошло. Правда, компания L'oréal учредила гранты для женщин в науке – видимо, это первая ласточка.

Возникает естественный вопрос: что же делал Ричардсон во время исторической встречи с Тейлором? Неужели просто пил пиво? Нет, конечно, – он наблюдал за тем, как большие вихри распадаются на вихри поменьше, и пришел к идее турбулентного каскада, из которой со временем выросла знаменитая теория турбулентности Колмогорова [10] Колмогоров А. Н. Локальная структура турбулентности в несжимаемой жидкости при очень больших числах Рейнольдса // Докл. АН СССР. 1941. 30, № 4. С. 299. . Но об этом в другой раз.

Я, к сожалению, не могу осветить все детали этой исторической встречи: какие именно сорта пива предпочитали ее участники, пили ли они другие напитки и т. д., – но выводы напрашиваются сами собой.

Явление турбулентной диффузии очень важно не только для парфюмеров и производителей электрических чайников. Это один из наиболее очевидных эффектов, возникающих в мире больших магнитных чисел Рейнольдса. Очень трудно представить себе небесное тело – а они, как правило, газообразные или жидкие, – в котором совсем нет никаких случайных движений. Совсем не обязательно, чтобы это была настоящая турбулентность или конвекция. Достаточно хотя бы каких-то движений. Они сразу увеличивают скорость переноса магнитного поля, а этот перенос, если нет ничего другого, тоже достаточно быстро приводит к затуханию магнитного поля.

Мы не умеем наблюдать течения глубоко внутри Солнца, поэтому трудно судить, есть ли там какие-нибудь движения. Настоящей конвекции там быть не должно – во всяком случае, специалисты не знают, как она там могла бы появиться. Поэтому магнитное поле в этих глубинах может, в принципе, жить практически вечно, хотя в это нелегко поверить.

Есть, правда, такой вид звезд (по астрономической классификации это Ap-звезды), где магнитное поле, видимо, действительно выжило после каких-то более ранних этапов эволюции. Интересное, но все же редкое исключение.

Между переносом магнитного поля и примеси есть два важных различия, которые ускользают от описания на языке турбулентной диффузии. Оба они связаны с тем, что у магнитного поля есть направление, а у температуры нет. Говоря более формальным языком, температура – скаляр, а магнитное поле – вектор. Точнее, псевдовектор: у него объективно определена прямая, вдоль которой расположена стрелка, а вот куда она направлена – вопрос соглашения, аналогично вопросу, какие штопоры завезли в соседний магазин – правые, как обычно, или вдруг левые?

К среде «приклеены» оба конца стрелки вектора, а при течении среды расстояние между ее частицами может меняться. Соответственно, может меняться и длина вектора магнитного поля, то есть напряженность магнитного поля. Разумеется, вектор может поворачиваться.

Так на языке представлений о вмороженности описывается явление электромагнитной индукции, которое открыл Фарадей и про которое рассказывают в школе, но на совсем другом языке. Еще одно различие между магнитным полем и температурой в том, как работает хоть и малая, но конечная диффузия. Не турбулентная, а нормальная – молекулярная. Что будет, если в распределении переносимых полей (температуры или магнитного поля) возникнет небольшая по размерам неоднородность, для которой диффузию уже нужно учитывать? С температурой – ничего особенного. Диффузия просто сгладит неоднородность и нивелирует все проблемы. С магнитным полем может произойти так: встретятся два пучка магнитных линий противоположной направленности. Если их магнитные потоки (произведение напряженности магнитного поля на поперечное сечение) одинаковы, то они просто взаимно уничтожатся, а магнитная энергия перейдет в тепло. Среда может быстро нагреться. (Примерно так – если провести аналогию – на Солнце возникают вспышки.) И магнитное поле в этом месте быстро затухнет.

Итак, мы хотели бы найти какой-то механизм, который позволил бы сначала создать, а потом поддерживать магнитное поле и объяснял бы происхождение таких явлений, как 11-летний цикл солнечной активности. Обсудим этот механизм конкретно на примере Солнца, а потом поговорим о том, чем отличается его работа в других телах от того, что происходит на Солнце. Разговор пойдет в контексте исторического развития этой области науки.