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

Зато Земля – чрезвычайно быстро вращающееся небесное тело. Она вращается несравненно быстрее Солнца, не говоря уж о галактиках. В самом деле, за время своего существования (это время сопоставимо с возрастом Вселенной) галактики совершают десятки, может быть, сотни оборотов вокруг своего центра. Солнце совершает один оборот вокруг своей оси примерно за 26 дней. Поскольку вращение Солнца дифференциальное, для более точной оценки требуется указать, о какой именно части Солнца мы говорим. Многие знают, что Земля совершает один оборот вокруг своей оси за сутки. Контраст между этими величинами станет еще заметнее, если мы вспомним, что характерное время изменения магнитного поля на Солнце – длина солнечного цикла – составляет 11 лет, а на Земле время между инверсиями магнитного поля занимает никак не меньше десятков тысяч лет.

Именно из-за чрезвычайно высокой скорости вращения Земли в задачах геодинамо главная трудность связана с описанием самого течения, а не магнитного поля, хотя его описывать тоже трудно. Не возникает сомнений, что магнитное поле может сильно изменить важные для геодинамо свойства течения. Задача становится сильно нелинейной. Схемы, связанные с подавлением спиральности в геодинамо, могут дать лишь самое грубое представление о том, что происходит при генерации магнитного поля.

Тем не менее прямое детальное численное моделирование хорошо воспроизводит основные черты шкалы геомагнитной полярности. Видимо, эти модели уже улавливают главные характеристики того, что происходит в глубинах Земли, хотя остается огромный простор для работы будущих поколений.

Мы поговорили о том, как возникают и эволюционируют магнитные поля в галактиках, на Солнце и на Земле. Конечно, специалисты по теории динамо занимаются и магнитными полями других звезд и планет. В этих задачах есть много интересного и необычного, хотя они в той или иной степени вырастают из тематики солнечного динамо и геодинамо. Очевидно, что про другие планеты мы знаем меньше, чем про Землю, а про другие звезды – меньше, чем про Солнце. Не нужно особой проницательности, чтобы понять, что и открытых вопросов, и неопределенностей в задачах планетарных и звездных динамо больше, чем в геодинамо и в солнечном динамо. Есть, безусловно, и достижения. О некоторых очень мало разработанных страницах в космическом магнетизме тоже стоит сейчас рассказать, хотя бы кратко.

Гигантские звездные острова – галактики – совсем не самые большие объекты, известные во Вселенной. Галактики распределены очень неравномерно. Они, в частности, группируются в скопления. В каждое скопление входит много галактик, между которыми находится межгалактическая среда. Скопления бывают очень различные по размеру.

Все те же радиоастрономические наблюдения показывают, что между галактиками тоже есть магнитное поле. Оно имеет примерно ту же напряженность, что и магнитное поле галактик, – ну или раз в десять поменьше. Однако строение этого магнитного поля совсем другое. Масштаб его гораздо меньше, чем размер скоплений, и более или менее сопоставим с размером отдельных галактик.

В принципе, можно обсуждать, не выброшено ли магнитное поле скопления каким-то образом из отдельных галактик, но жизнь астронома была бы значительно легче, если бы специалисты по динамо предложили какой-то механизм образования магнитного поля в самом скоплении. Не нужно было бы искать механизмы, выбрасывающие его из галактик.

Пожалуй, главное с точки зрения теории динамо отличие скоплений галактик от отдельных галактик и звезд состоит в том, что скопления не вращаются. Во всяком случае, мы не видим явных следов этого вращения. В то же время можно надеяться, что какие-то потоки вещества в межгалактическом пространстве есть. Другими словами, нам нужен вариант динамо, не связанный с общим вращением небесного тела.

Такой механизм – его называют турбулентным или мелкомасштабным динамо – действительно был предложен А. П. Казанцевым из Института теоретической физики им. Л. Д. Ландау еще в 1966 г. [17] Казанцев А. П. Об усилении магнитного поля проводящей жидкостью. ЖЭТФ, 53 (5), 1806–1813 (1967). [Kazantsev A. P. Enhancement of a Magnetic Field by a Conducting Fluid. Sov. Phys. JETP 26 (5), 1031–1034 (1968). www.jetp.ac.ru/cgibin/index/e/26/5/p1031?a=list ]. , всего через год после работы Штеенбека, Краузе и Рэдлера. Александр Петрович принадлежал к совсем иной научной школе, чем авторы представлений о динамо среднего поля. Связь между его идеями и идеями Паркера и Штеенбека стала ясна только лет через 30. Нарушение зеркальной симметрии его совсем не интересовало. В том же 1966 г. к аналогичным идеям, но в чуть менее ясно сформулированной форме, пришел американский специалист по теории турбулентности Роберт Крейчнан.

Я с большим уважением отношусь к своим американским коллегам, но они, естественно, больше интересуются наукой своей страны. И конечно, я тоже чаще цитирую отечественных авторов, выбирая их даже на бессознательном уровне. Нужно считаться с реальностью: американская наука сейчас явно гораздо успешнее российской. На этом фоне было бы естественно ожидать, что мелкомасштабное динамо будет связано с именем Крейчнана. Однако ничего подобного: в современной науке уверенно говорят о модели Казанцева или даже Казанцева – Крейчнана. Несомненно, это высокая оценка вклада отечественной науки в теорию динамо. Она дорогого стоит. Не могу не сказать, что в этой же области науки очень известно имя еще одного отечественного физика – Р. С. Ирошникова, и говорят о спектре того же Крейчнана и Ирошникова. Пишу об этом с особым удовольствием, потому что долгое время мы жили с Ирошниковым в Москве в соседних квартирах.

Чтобы объяснить отличие мелкомасштабного динамо от динамо среднего поля, вспомним еще раз про восьмерку Зельдовича. В динамо среднего поля петля магнитных линий растягивается дифференциальным вращением. Однако турбулентные потоки тоже умеют растягивать петли – с этим вообще особых проблем не возникает. Уж какие ни есть в среде потоки, они всегда разносят в разные стороны находящуюся в них примесь, даже если эта примесь такая необычная, как магнитное поле.

Гораздо более серьезное отличие в том, что в динамо среднего поля магнитная петля перекручивается в восьмерку и складывается альфа-эффектом. Этот эффект выбирает, вправо или влево скручивать восьмерку, – недаром важна зеркальная асимметрия задачи. Из-за этого и возникает крупномасштабное магнитное поле. Само по себе скручивание вихрей в восьмерку происходит и в зеркально-симметричном течении: вихри-то крутятся. Однако теперь нет выделенного направления закручивания вихрей, поэтому и магнитное поле получается мелкомасштабным.