Путешествие в космос - Электромагнетизм космических тел - 19. Магнитные поля и дифференциальные потоки

19. Магнитные поля и дифференциальные потоки

Учет бароэлектрического эффекта вносит в картину формирования магнитного (а также и электрического) поля планет и звезд принципиально новые черты. Это касается не только влияния перепадов давлений на формирование электрических и магнитных полей, но и обратного процесса влияния этих полей на потоки.

До появления теории бароэлектрического эффекта обычно при рассмотрении электромагнитных полей планет и звезд принималось, что в их недрах плотность зарядов (а значит, и напряженность электрических полей) равна нулю. Отказ от такого представления, необходимость чего диктуется изложенными выше аргументами, меняет многое в физической картине обсуждаемых нами явлений.

Основным фактором, определяющим распределение давлений в звездах и планетах, является их собственное гравитационное поле, создаваемое распределением их масс. Для самых простых и грубых оценок мы обратимся вновь к простейшей модели: будем считать, что звезда вращается как единое целое с постоянной угловой скоростью о;.

Тогда выражение для вектора напряженности электрического поля оказывается не зависящим от ш.

Вектор напряженности магнитного поля Н линейно зависит от ио.

Если принять для простоты, что напряженность бароэлектрического поля увеличивается по мере удаления от центра планеты по линейному закону, объемная плотность заряда получается постоянной.

На приведенном здесь рисунке изображена упрощенная схема силовых линий для магнитного поля как во внутренней области, так и во внешней области звезды.

Вид этих силовых линий, как уже отмечалось, должен отражаться на распределении дифференциальных потоков.

В область над поверхностью тела (в рамках обсуждаемой модели), главное бароэлектрическое поля не проникает, а главное баромагнитное поле, порождаемое вращением этого тела как целого, оказывается чисто дипольным.

Благодаря внутрипланетным (или внутризвездным) дифференциальным потокам главное баромагнитное поле приобретает добавки, которые вместе с магнитогидродинамическими и формируют наблюдаемое магнитное поле.

Но магнитное поле, в свою очередь, также оказывает воздействие на дифференциальные потоки. Один из механизмов этого воздействия хорошо известен — это то, что называют магнитной упругостью. Чем выше проводимость, тем в большей мере проявляется «эффект вмораживания»: движение хорошо проводящего вещества (в частности, такой среды как звездная плазма) преимущественно направлено вдоль, а не поперек магнитных силовых линий.

Другая причина такого движения является, связана с наличием объемных зарядов, при движении которых в магнитном поле проявляется сила Лоренца. Поскольку об этих зарядах исследователи прежде не упоминали, принимая, что недра звезд не заряжены, естественно, не фигурировала и эта вторая причина.

Конвективные потоки, обусловленные перепадами температур, имеются и в звездах, и в недрах планет, в частности Земли. Конвекции на Солнце, например, посвящена обширная литература. Нет, по-видимому, ни одной книги о физике Солнца, в которой бы не обсуждался этот вопрос.

Однако, хотя связь между конвективными движениями и магнитными полями уже давно стала предметом исследования, некоторые, даже качественные черты процессов еще нуждаются в дополнительном обсуждении. Преимущественно это относится к только что отмеченной доминирующей тенденции движения внутри звездного вещества вдоль, а не поперек магнитных силовых линий, что должно (если иметь в виду крупномасштабные черты движения) приводить к тому, что конвективные потоки из недр должны, в основном, быть направлены к полюсам, магнитного поля, а уже от них, охлаждаясь, растекаться в приповерхностных областях в направлении к экватору, а затем вновь опускаться вглубь звезды.

Таким образом, должны возникать меридиональные приповерхностные потоки от полюсов к экватору.

Действие на приповерхностные потоки вещества обусловленных вращением звезд сил Кориолиса приводит к появлению широтных составляющих скорости, направленных таким образом, что это приводит к замедлению вращения приповерхностных слоев, причем это замедление сказывается больше в приполярных, чем в экваториальных областях, поскольку эти силы убывают по мере приближения к экватору. В результате в меридиональных плоскостях в северном и южном полушарии должны возникать симметричные циркулярные потоки.

Частота обращения различных участков поверхности звезд неодинакова: чем ближе к экватору, тем она выше. Зависимость частоты обращения участков поверхности Солнца от их широты описывается эмпирической приближенной формулой Говарда и Харвея, которая показывает, что эта частота убывает по мере удаления от плоскости экватора. Зная, с какой частотой вращаются различные участки поверхности, нетрудно найти и линейные скорости их вращения.

Вектор линейной скорости поверхности Солнца имеет только широтную компоненту, которая быстрее всего меняется в зависимости от угла широты а (отсчитываемого от плоскости экватора) При (X r^j 60°.

Там, где перепад скоростей участков поверхности наибольший, т.е. где относительные скорости соседних слоев особенно велики, возникновение вихрей и связанных с ними солнечных пятен наиболее вероятно.

Это находится в довольно близком соответствии с данными наблюдений. Действительно, области, в которых пятна появляются в начале цикла, находятся обычно на широтах ±40°, а затем перемещаются к экватору.

Если принять положение о вихревой природе солнечных пятен, открывается возможность для некоторых оценок магнитных полей в них. Конечно, вряд ли нужно пояснять, что ввиду сугубой приближенности модели речь пока может идти лишь о самых первых грубых прикидках.

Во вращательном движении вещества в солнечном пятне вовлекаются как поверхностные, так и объемные заряды, возникающие благодаря бароэлектрическому эффекту. Вращение этих зарядов порождает магнитное поле. Оно локализовано в области пятна и его силовые линии направлены почти перпендикулярно к его поверхности, что также соответствует данным наблюдений.

Основной вклад в напряженность этого магнитного поля вносит движение приповерхностных зарядов. Для первых, достаточно грубых оценок можно принять, что отрицательные поверхностные заряды образуют сравнительно тонкий слой. Поверхностная плотность таких зарядов а (в предположении, что полный электрический заряд Солнца равен нулю) находится по формуле

где Wo — плотность избыточной энергии в центре Солнца, для которой может быть принято выражение Wo tt ро.

Давление в центре Солнца ро> по общепринятым оценкам, составляет ~ 2, 5 - 1011 атм, или 1017 ед. СГС. Это приводит к значению:

Заряды, равномерно распределенные по поверхности круга радиуса L, вращающегося с угловой скоростью П, порождают над центром этого круга магнитное поле, нормальное к поверхности и равное по модулю

Произведение

которое имеет смысл относительной скорости движения противоположных краев пятна, можно оценить как

Что же касается размера пятен, то он часто составляет

Это дает

Конечно, приведенные выше соображения являются не более, чем предварительными, и их можно считать лишь наметками обширной программы дальнейших, как теоретических, так и экспериментальных исследований.

В заключение еще раз коснемся, того круга явлений, где переплетается влияние магнитогидродинамических и бароэлектрических эффектов. Вопрос, о котором идет речь, уже кратко упоминался выше, когда рассматривался вылет ионов из недр планеты. Но тогда из поля зрения как бы выпало правило Вольта, согласно которому безваттное бароэлектрическое поле не может порождать токов, т.е. сообщать энергию заряженным частицам. Но еще раз напомним, что это правило распространяется только на равновесные стационарные системы. Если же стационарность нарушаются, то запрет Вольта снимается. Иллюстрацией тому можно назвать также рассматривавшийся выше метод Кельвина. Кратко говоря, безваттные электрические поля могут при нарушении равновесия стать посредниками в передаче энергии заряженным частицам от внешнего нестационарного источника этой энергии.

Возникновение такого источника энергии как раз и может быть связано с дифференциальными внутризвездными или внут-рипланетными потоками. Из этого сразу можно сделать вывод, доступный экспериментальной проверке. Динамо-механизм формирования магнитных полей небесных тел, напомним, основан на преобразовании кинетической энергии дифференциального движения проводящего вещества в недрах этих тел в энергию магнитного поля. Но эти же движения связаны с отступлениями от стационарного, не меняющегося со временем распределения давлений в среде, что создает предпосылки для отступлений от правила Вольта, для ускорения ионов бароэлектрическим полем. Таким образом, должна наблюдаться корреляция между вариациями полей магнитогидродинамического происхождения и интенсивностью радиальных корпускулярных потоков. На Земле, где наблюдается небарометрическая зависимость концентрации положительных ионов от высоты, изменение положения максимума этой концентрации также должно быть связано с вариациями геомагнитного поля.

Отметив, что флуктуационные нарушения равновесия обусловливают возможность частичного перехода энергии бароэлектрического поля к заряженным частицам, заметим, что это может иметь непосредственное отношение к проблеме разогревания короны Солнца (как и других звезд). Поясним, в чем состоит суть этой проблемы.

Уже давно наблюдениями установлено такое удивительное изменение температуры по мере увеличения расстояния от центра Солнца: вначале эта температура падает, причем весьма значительно — от миллионов градусов в центре до нескольких тысяч у низшей части короны, а затем вновь возрастает, достигая в некоторых ее участках почти таких же значений, как и в центре звезды.

Предпринимались попытки дать этому феномену теоретическое объяснение, но, в основном, на качественном уровне. Учет бароэлектрического эффекта (конечно, при учет и других механизмов разогрева короны) открывает и дополнительные возможности количественных оценок.

Если из-за нарушений равновесия возникают радиальные потоки положительно заряженных частиц звездной плазмы (в основном, протонов, естественно, то благодаря тепловым соударениям энергия ионов в таких потоках может переходить в тепловую энергию. Но во внутренних областях звезды, где длина свободного пробега (путь ионов между двумя актами столкновений с частицам плазмы) из-за высокой плотности плазмы мала, и где поэтому за время свободного пробега иона он успевает приобрести от бароэлектрического поля лишь небольшую энергию, и эффект «ударного нагревания» сравнительно незначителен. Но в короне, где число частиц в единице объема резко уменьшается (и где поэтому длина свободного пробега, соответственно, возрастает), этот эффект, как показывают оценки, действительно может дать повышение температуры до упомянутых выше наблюдаемых значений.

Вопрос о температуре короны может подвести нас, хотя и несколько неожиданно, и к проблеме размеров звезд. В любом справочнике по астрономии приводятся сведения о радиусах звезд. Но если у Земли и других твердотельных планет земной группы понятие радиуса имеет прозрачный смысл, то для звезд, для плазменных образований (и даже в какой-то мере для планет-гигантов), не имеющих резкой, четко выраженной границы, понятие размеров и выяснение их значений нуждается в дополнительном обсуждении.

Понятно, что частицы звездной плазмы не разлетаются благодаря гравитации. Если бы не она, частицы звездной плазмы разлетелись бы из-за теплового движения. Таким образом, частица не улетает с поверхности звезды в мировое пространство, только если энергия ее теплового движения (напомним, что эта энергия порядка кТ, где к — 1, 38 • 10¹⁶ эрг/град — постоянная Больцмана, Т — температура) не превышает потенциальную энергию ее гравитационного взаимодействия со звездой, равную G(Mm /R). Используя табличные эмпирические данные о параметрах для Солнца, легко убедиться, что известное значение R = 7 • 10¹⁰ см дает для Т оценку Т = 10⁷, что находится в соответствии с данными о температуре короны.

<<<Назад Страница 21 Далее>>>

WalkInSpace.Ru

Правила:

«Путешествие в космос» © 2024

Использование материалов допускается при условии указания авторства WalkInSpace.ru и активной ссылки на www.WalkInSpace.ru.

Используются технологии uCoz