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

В итоге получилась гораздо более сложная, но и гораздо более реалистичная схема, которой сейчас научились пользоваться все специалисты. Может быть, отличия от более старой схемы, основанной на балансе энергии, и не так велики, но степень понимания задачи, безусловно, сильно увеличилась.

Это достижение основано на трудах многих специалистов по теории динамо, которые предложили и разработали различные звенья данной цепи умозаключений. Было бы наивно ожидать, что в процессе работы все эти уважаемые специалисты говорили друг другу исключительно комплименты и были побуждаемы только высокими идеалами научной работы. Скорее наблюдалось нечто противоположное. Однако со временем различные детали картины нашли свое место, так что стали получаться очень разумные модели магнитных полей в конкретных объектах.

Проблема сохранения магнитной спиральности оказалась особенно важной для построения моделей генерации магнитных полей в галактиках. Эти небесные тела устроены проще, чем Солнце, да и знаем мы о них поменьше.

Для солнечного динамо оказались важнее другие эффекты, которые не включались в его простейшие модели. Например, то, что в конвективной зоне Солнца есть и потоки, направленные вдоль меридиана. Эти потоки, которые называют меридиональной циркуляцией, не очень большие, но и альфа-эффект невелик, поэтому они могут вмешаться в работу динамо.

Оказалось важным критически оценить то впечатление о направлении движения динамо-волны, которое складывается на основании наблюдений солнечных пятен. По этому трассеру можно оценить лишь ту компоненту скорости волны, которая параллельна поверхности Солнца. Выяснилось, что важна и перпендикулярная компонента. Разработка этого круга вопросов является заслугой Л. Л. Китчатинова из Института солнечно-земной физики в Иркутске.

Оказалось также важным и то, что альфа не просто постоянная средняя величина, а у нее есть флуктуации. Эти флуктуации не такие уж маленькие: число независимых вихрей в конвективной зоне Солнца большое, но не такое огромное, как число молекул в воздухе комнаты, поэтому и флуктуации побольше. Оказалось, что в данном случае можно объяснить и то, почему от цикла к циклу меняется их амплитуда, и то, почему время от времени возникают большие минимумы солнечной активности, такие как минимум Маундера. По крайней мере, это одно из возможных объяснений. Важны флуктуации и в меридиональной циркуляции. Всем этим кругом вопросов плодотворно занимался, в частности, другой сотрудник иркутского института – В. В. Пипин.

Так или иначе, в последние годы стало хорошо заметно, как отдельные достижения специалистов по солнечному динамо постепенно складываются в единую картину, непротиворечиво описывающую строение и эволюцию магнитного поля Солнца в сравнительно недавнюю эпоху (здесь я по памяти пересказываю один из докладов Л. Л. Китчатинова). Конечно, если говорить об эволюции магнитного поля Солнца в масштабах всей его эволюции от образования Солнца до наших дней, то здесь еще много неясного, хотя кое-что постепенно проясняется. Здесь я тоже пересказываю мнение специалиста, на этот раз М. М. Кацовой из Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга в Москве.

Есть и еще важное отличие солнечного динамо от галактического. Действительно, можно считать, что в галактическом динамо, если отвлечься от тонких деталей, магнитные силы меняют только альфу, а во вращение галактики они практически не вмешиваются. Для солнечного динамо такое приближение более или менее работает, но есть и заметные явления, в которых видна зависимость вращения от магнитного поля. В частности, во вращении Солнца тоже видны одиннадцатилетние вариации, которые естественно связать с действием магнитной силы.

Изучение эволюции магнитного поля в Земле несколько выпадает из всего круга задач, которые решает теория динамо. С одной стороны, мы чрезвычайно мало знаем о течениях в жидкой и хорошо проводящей оболочке Земли – она называется внешним ядром. Внешнее ядро отделено от нас не только земной корой, но и толстым слоем мантии. Сигналы, приходящие из глубины внешнего ядра, очень сглажены мантией и корой. Поэтому трудно в деталях узнать, что там происходит.

На Земле нет таких замечательных индикаторов, как солнечные пятна, которые говорят о происходящем в глубинах.

Внутри внешнего ядра находится внутреннее твердое проводящее ядро, про которое еще труднее узнать что-то определенное, чем про ядро внешнее. Однако это внутреннее ядро тоже важно для геодинамо.

Хорошо, что благодаря сейсмологии мы знаем о существовании всех этих оболочек, но данные этой науки позволяют узнать совсем не все, что нам интересно. Например, в моделях геодинамо обычно считается, что раздел между внешним ядром и мантией представляет собой идеальную сферу, – нужно же предположить что-нибудь, а при полном отсутствии информации не хочется выдумывать сложные предположения. Эта идея оказывается важной, от нее многое зависит. С одной стороны, мы сами живем на разделе между земной корой и атмосферой и отлично знаем, что он, мягко говоря, не похож на идеальную сферу пренебрежимо малой толщины. С другой стороны, давление и температура на границе между мантией и внешним ядром гораздо больше, чем на поверхности Земли. Вполне вероятно, что они действительно сглаживают все неровности. С третьей стороны, в недрах Земли много всяких разделов. В конце прошлого столетия люди научились технике сверхглубокого бурения, и теперь самые глубокие скважины достигают первого из таких разделов, а одна из них – Кольская сверхглубокая – дело рук отечественных геологов и инженеров. Благодаря этим скважинам люди узнали много нового о строении самого неглубокого из разделов. Оказалось, что до этого мы очень приблизительно представляли себе его свойства и строение. И нет оснований сомневаться, что свойства раздела между внешним ядром и мантией мы тоже представляем себе очень приблизительно.

В такой ситуации не остается ничего другого, кроме одновременного построения как модели эволюции геомагнитного поля, так и модели гидродинамических течений во внешнем ядре Земли. Слов нет, этот вынужденный выбор очень затрудняет построение простой и понятной модели геодинамо.

Есть и другое, более фундаментальное различие между задачами солнечного динамо и геодинамо. Насколько известно, магнитное число Рейнольдса во внешнем ядре Земли большое, но не такое гигантское, как на Солнце. Оно несколько больше магнитного числа Рейнольдса, достижимого в лабораторных условиях, но этот зазор не так уж велик – ну, раз в десять.