Иванов Б.Н. - Мир физической гидродинамики. От проблем турбулентности до физики космоса (1107606), страница 40
Текст из файла (страница 40)
Снимок Земли с расстояния 70000 ки. Хорошо видна сложная (почти хаотическая) структура земной атиосферы Изображение Юпитера, полученное «Вояджером-1» 5 февраля З979 г. На фоне диска видна Ио, ближайший к планете галилеев спутник. Слоистая правильная структура юпитерианской атмосферы обусловлена большой ролью центробежных сил инерции на этой планете У 20. 0 солнечно-земных связях и геофизической гидродинамике 20.1. Вводные замечания Обратим внимание читателя на существование обширного раздела геофизической гидродинамнки — гидродинамнки атмосферы и океана. Здесь еще очень много нерешенных проблем и сами задачи необычайно сложны и «запутаны», Как эволюционирует климат на планете? Как формируется погода? Можно ли «научиться» точно предсказывать погоду или это в принципе случайный процесс? Для практической деятельности людей этн вопросы имеют первостепенное значение.
Такие грозные явления природы, как ураган, шторм, наводнение, землетрясение — перед которыми человек бессилен, настоятельно требует разработки методов их предсказания. Более того, необходимо уметь заранее находить начальные «очаги» предстоящих катастрофических событий и, по возможности, снимать «аномально напряженные состояния» в ат- 174 з 20. 0 солнечно-земных сеязяк и геофозочесной гидродонамнне мосфере, океане и земной коре, взаимодействующей с жидкой горячей магмой. Примечательно, что в Ленинграде в октябре 1988 г.
на советско-американском семинаре «Нелинейные системы в прогнозе землетрясений», собравшем выдающихся специалистов обеих стран, выступил академик А.Д. Сахаров. Он высказал мысль о том, что можно искусственно вызывать землетрясения, используя в качестве спускового механизма ядерный взрыв на большой глубине. Цель такого воздействия — сбросить накопившуюся энергию, пока еше не ставшую критической, и, таким образом, избежать больших потерь. Методами обычной гндродинамикн изучаются процессы в относительно тонком слое атмосферы, высотою в несколько десятков километров. Мировой океан как среда также подвластен законам обычной гцдродинамики.
При этом главная трудность, тормозящая исследование процессов в этих средах, связана с отсутствием полной последовательной теории турбулентности. Космическая магнитосфера Земли, высотные ионосферные слои, а также внутриземные подкорковые магматические области, включая «жидкое» ядро, должны изучаться методами магнитной гндродинамики.
Основным фактором, вызывающим и формирующим процессы в трех планетарных стихиях: магнитосфере, атмосфере и Мировом океане, — зто огромный поток энергии от Солнца. Солнечно-земные связи проявляются не только в поглощении светового излучения, падающего непосредственно на поверхность рельефа и океана, но и через космическую плазму. 20.2. Солнце — плазменное образование и природный термоядерный реактор Оценим температуру Т и давление Р в центре нашей звезды. Воспользуемся методом анализа размерностей 1см. з 8.7).
Естественно выразить искомое давление через основные характеристики звезды: массу М, и ее радиус Л„конечно же, сюда должна войти и гравитационная постоянная О. Комбинация рассматриваемых величин Р а*м,"Д,' О является единственной; в нее входят неизвестные числа я, у, з, которые необходимо найти. Для этого в соотношении 1«) выписываем размерности участвующих величин И = ФГ [М.)" . (72*Г, м ' с =1к '.м с )* 1 )" 1м)'= *+"м* *с Сравнивая показатели степеней обеих частей приведенного равенства, получим систему уравнений -в+у=!, Зя+з = — 1, — 2х = — 2.
з 80. О солнечно-земных связях и геофизической гидродинонине 175 Решение ее дает значения в = 1, у = 2, з = — 4, В итоге Р 6.Мз В„«, (20.1) или 6М,з Р Л« ' (20. 1) В (20.1) давление в центре звезды выражается через величины, определяемые в лабораторном опыте (с«) и в астрономических наблюдениях (М, и Я,). Найдем порядок величины давления в центре Солнца. Для Солнца Мо — 2 !Озв кг, Ле — — 7 10' м, давление же в центре б 7, 10-п(2, 1Ою)г Ро- ' 84 8811 10м па=10" атм, (7.
108)4 Хотя большинство звезд — это несомненно плазменные образования, мы будем моделировать звезду в виде газового шара с уравнением состояния Р» = — ВТ, (20,2) М в котором Л вЂ” газовая постоянная; М вЂ” малярная масса. Для стационарной звезды гравитационное сжатие должно компенсироваться тепловым противодавлением (20.3) Р~р«в Р«ел».
Подставляя сюда (20.1) и (20.2), получаем М„з р 6 —" хе — ЯТ Л4 М ющ' (20.4) Среднюю плотность звезды оценим как М, р '" Лз. (20.5) Подставляя (20.5) в (20.4), напишем выражение для температуры в центре звезды М„М Т ° б— ««н»р В случае Солнца М = 1 10 з (водородная звезда), и для температуры в его центре получим б 7, 10-ь~, 2, 10зв . 1, 1О-з Точ 2 10' К.
7 108 8,3 Сравним полученное значение температуры в центре Солнца с температурой в плазменном шнуре в установках типа «Токамак» (см. В 19.1). 176 У 20. 0 солнечно-земных связях и геофизической гидродинамихе Поскольку в последних уже успешно «запускаются» термоядерные реакции на изотопах водорода, естественно сделать вывод, что Солнце черпает свою энергию именно из реакций подобного типа. Так как Солнце — водородная звезда, то цикл ядерных реакций предполагается следующим: 12 + р — «Р + е + ие, Р+р- Не+7, Не+ Не- Не+2р+ у.
Энергия освобождается в форме позитронов е«1которые, аннигилируя с электронами, рождают у-кванты), у-квантов, нейтрино и, и кинетической энергии протонов р. Ядра дейтерия Р и легкого изотопа гелия Не являются промежуточными продуктами. Заметим, что реакция р+ р, с образованием дейтерия, обладает очень малой вероятностью, ибо требует сочетания весьма редких событий; подбарьерного квантового перехода и, одновременно, превращения одного из протонов в нейтрон и, ибо только протон и нейтрон могут образовать ядро дейтерия 29).
В итоге, центральные области Солнца будут испускать нейтрино и гамма-кванты. Нейтрино, практически не взаимодействуя с веществом, беспрепятственно покидают Солнце и, кстати говоря, фиксируются физиками на Земле, Гамма-кванты обречены на «тернистый путь» сквозь солнечное вещество и, в конце концов, «термализуются». Что касается температуры поверхностных слоев Солнца, то ее можно оценить, используя закон теплового излучения Планка 2хггс ТЛмая»вЂ” » сопас = —, 4,96)с где Лм,„— длины волн той части электромагнитного спектра излучения, на которую приходится энергетический максимум.
Для Солнца — это желто-зеленая область спектра, т.е. Л,„и 5,5. 10 ' м. В результате 6 28 1 05 10 243 1Ов Тле ' ' 5300 К. 4,9б 1,38 10 9.5,5 10 ' Ясно, что вещество недр Солнца будет представлять собою (в основном) смесь «голых» ядер водорода и свободных электронов, т. е. полностью ионизованную высокотемпературную плазму. Поверхностные слои Солнца могли бы быть лишь частично ионизованной плазмой.
Однако, при огромной разности температур между центральными областями и поверхностью на Солнце образуется мощнейший тепловой поток, 29) Свсболный протон — частила стабияьная. В тексте речь идет не о свободном протоне, а пРотоне, встгливвгем в сильное (ядерное) взаимодействие. Само преврагление р н Ч е«4 Ю проиСходит за счет так называемого «слабого взаимодействия . з 20. О солнечно-земнык связях и геофизической гидродиномине 177 направленный наружу, Возникает грандиозное конвективное гидродинамическое движение солнечного вещества. Формируются ячейки типа Бенара — Рэлея, которые проявляются в виде гранулированной поверхности солнца (см. з 7.4 и фото-заставку к з 7). При сложившихся условиях состояние солнечной плазмы на поверхности будет крайне неоднородно: рождаются и исчезают «солнечные пятна», сопровождающиеся вспышкой рентгеновского излучения; наблюдаются «протуберанцы» и выбросы вещества в виде «спикул» (см.
фото- заставку к 5 19), Указанные явления относятся к классу магнитогидродинамических, и на их механизме необходимо остановиться. Предварительно рассмотрим эффект «пересоединения» магнитных силовых линий в «замагниченной» плазме. Его значение в магнитной гидродинамике не менее важно, чем значение эффекта «вмороженности» магнитного поля в плазму (о послелнем см. Я 19.1 и ! 9.2).
В сильных магнитных полях, когда магнитное давление в плазме значительно превосходит плотность кинетической энергии ее вещества, возможен, естественно, переход магнитной энергии в энергию движения среды. Такой механизм реализуется в солнечной плазме. Картина на Солнце складывается следующим образом. Конвективные течения солнечной плазмы образуют, в частности у его «поверхности», сложную ячеистую структуру — поверхностную сетку. Вследствие «вмороженности» магнитных полей в вещество высокоионизованной плазмы, сами магнитные поля также будут обладать сетчатой ячеистой конфигурацией, В пределах ячеек, в силу явления турбулентного плазменного динамо (см.в 19.2), не исключено самовозбуждение (генерация) локальных магнитных полей. Магнитные силовые линии соседних ячеек могут иметь взаимно противоположные направления.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
