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

Оказывается, динамо действительно создает в сферической оболочке не просто растущее магнитное поле, но этот рост еще и сопровождается осцилляциями. Более того, возникают волны магнитного поля. Для динамо-числа одного знака эти волны бегут так же, как и волны солнечной активности, – к солнечному экватору. Для противоположного знака динамо-числа волны бегут, наоборот, к полюсу.

Разумеется, знак динамо-числа – вопрос соглашения. Однако если изменить это соглашение, то есть использовать вместо правой системы координат левую, то направление распространения волн останется тем же самым.

В определении знака динамо-числа участвует и знак, входящий в дифференциальное вращение. Что вращается быстрее – глубинные слои Солнца или его поверхность? Узнать это очень непросто. Когда были развиты первые модели солнечного динамо, астрономы еще не умели этого делать. Казалось, что поверхность должна вращаться медленнее, чем глубинные слои. Если взять альфа-эффект в соответствии с простейшей формулой Краузе, то с этим знаком дифференциального вращения получалось, что волна магнитного поля должна распространяться к солнечному экватору в соответствии с наблюдениями. Это рассматривалось как триумф теории.

Прошло лет двадцать, и люди научились определять угловую скорость вращения внутри Солнца. Оказалось, что Солнце вращается сложным образом, так что знак дифференциального вращения вблизи экватора противоположен ожидаемому. Теоретики подумали еще лет десять – и объяснили, почему в формуле Краузе для Солнца нужно поменять знак, но не будем сейчас объяснять ход их мысли. Вновь стали говорить о триумфе теории.

По этому поводу опять хочется рассказать две истории.

Одно из первых объяснений неожиданного знака альфы на Солнце предложил украинский астроном В. Н. Криводубский. Меня пригласили быть оппонентом на его диссертации. По существующему положению защита проходила на украинском языке, хотя отзыв можно было писать по-русски. Все было в общих чертах понятно, хотя далеко не во всех деталях. Организаторы защиты места себе не находили и все время извинялись передо мной за то, что мне так приходится страдать из-за непонятного мне языка. Предлагали переводчика. Пришлось успокоить их и заверить, что в поездках с женой в Литву мне много раз доводилось слушать разговоры на малопонятном языке, а украинский язык намного ближе к русскому, чем литовский.

Вторая история – про известного отечественного физика Я. И. Френкеля. Однажды сотрудник в коридоре показал ему новый экспериментальный график. Френкель немедленно объяснил его вид, но выяснилось, что график второпях перевернули вверх ногами. Френкель подумал минуту и дал еще лучшее объяснение. Что-то знакомое, не правда ли?

Кроме направления распространения динамо-волн, хотелось бы объяснить и длину солнечного цикла. Она определяется, естественно, частотой колебаний магнитного поля. Самая простая оценка, сделанная на основании формулы Краузе, дала длину цикла примерно в один год вместо 11 лет. Хорошо это или плохо? С одной стороны, очень неплохо. Представим себе, что мы пойдем на ближайшую свалку невостребованных радиодеталей и подберем там резистор, конденсатор и катушку индуктивности без заводских маркировок. Соберем из них колебательный контур. Если нам на основании внешнего осмотра деталей и теоретических соображений удастся предсказать его частоту с точностью до десяти – это будет триумф теории (если, конечно, мы не эксперты во внешнем виде радиодеталей). С другой стороны, несколько десятилетий теоретикам никак не удавалось подогнать параметры модели солнечного динамо так, чтобы получилась правильная длительность цикла.

В итоге теории пришлось учесть много второстепенных эффектов, чтобы в моделях постепенно стали получаться реалистические длины циклов. Безусловно, это успех теории, хотя до полного счастья еще далеко.

В галактических дисках оказалось важным направление градиента угловой скорости. Наблюдения говорят нам, что угловая скорость изменяется с расстоянием от центра диска, а с расстоянием от центральной плоскости диска она практически не меняется. Оказывается, этим диски существенно отличаются от сферических оболочек. Кривизна оболочки существенна, но не является главным. Так вот, в дисках возбуждается монотонно растущее магнитное поле. Оно возбуждается лишь при одном знаке динамо-числа, причем именно при том, который предсказывается формулой Краузе. Так что здесь пока концы с концами сходятся.

Про геомагнитное поле мы поговорим немного позже, а пока обратим внимание на следующее: до сих пор мы рассуждали о том, как растет магнитное поле. Здравый смысл подсказывает, что такой рост не может продолжаться очень долго. Очевидно, что в Солнце рост магнитного поля уже давно остановился: совершенно не заметно, чтобы амплитуда каждого следующего цикла солнечной активности была больше амплитуды предыдущего. Вероятно, деятельность солнечного динамо подавлена какими-то физическими процессами, так что оно только поддерживает амплитуду цикла.

Значит, пришло время поговорить о нелинейных моделях динамо.

Конечно, все специалисты по динамо понимали, что кинематическая постановка задачи, в которой течения среды считаются заданными, – только первый шаг на пути исследований. Он позволяет говорить о том, что мы в самых общих чертах нащупали решение проблемы. Чтобы по-настоящему описать то, что происходит в конкретных небесных телах, нужно учитывать, как магнитная сила влияет на течения и как в результате этого останавливается экспоненциальный рост магнитного поля. Тогда можно будет говорить о напряженности магнитного поля, которая предсказывается теорией, о детальном сравнении теории и наблюдений и т. п.

Существует два пути для решения этой амбициозной задачи. Можно добавить магнитную силу в уравнения гидродинамики и как можно лучше решать самую полную систему уравнений, которая описывает движения среды и поведение в ней магнитного поля. В такой общей и прямолинейной постановке эта задача очень трудная и в полном объеме недоступная для решения. Трудности самые разные: например, движения среды в галактиках определяются не только хорошо знакомыми нам по лабораторной физике и повседневной жизни факторами, но и не очень понятной темной материей, о природе которой спорят астрофизики и специалисты по физике элементарных частиц. В перспективе просматривается и вопрос о темной энергии. Очень хотелось бы избежать необходимости объяснять не совсем понятное через совершенно неизвестное. Хватает проблем и в физике Солнца. Мы не так хорошо знаем, что именно происходит в его недрах.