Иванов Б.Н. - Мир физической гидродинамики. От проблем турбулентности до физики космоса (1107606), страница 41
Текст из файла (страница 41)
При их тесном сближении возможен разрыв — пересоединение магнитных силовых линий, с освобождением «свободной» магнитной энергии. Такое изменение топологии магнитного поля сопровождается выбросом сгустков солнечной плазмы. Грандиозные вспышки на Солнце, имеющие описанный выше механизм, явление нечастое. Оно сопровождается: 1) выбросом огромных масс плазмы, движущихся со скоростями до 1000 км/с; 2) электромагнитным излучением в самом широком диапазоне, начинал с рентгеновского и кончая радиоизлучением; 3) ускоренными попжами электронов, протонов и ядер более тяжелых химических элементов (иногда их энергии достигают гигантских значений в десятки ГэВ). Последнее возможно в силу того, что эффект пересоединения магнитных силовых линий сопровожаается возникновением сильнейших электрических полей.
По-видимому, постоянно «бушуюшее море» спикул — многочисленных поверхностных солнечных вспышек малого масштаба и, конечно же, сами крупномасштабные вспышки, формируют то, что называют «солнечным ветром» 178 згО. 0 солнечно-земных связях и геофозочесход годродонамоне 20.3. Магнитосфера Земли Природа возникновения собственного магнитного поля Земли нами рассматривалась в Э 19.2. Зто поле носит дипольный характер, однако поток солнечного ветра видоизменяет его «до неузнаваемости».
Дело в том, что набегахпцая солнечная плазма, не имея возможности «грубого» проникновения в область «замагниченного» пространства Земли, деформирует (поджимает) полусферу магнитного поля, обращенную к Солнцу. Противоположная магнитная полусфера деформируется в «хвосг». В результате, в межпланетной космической плазме образуется «каверна» (пустота), заполненная магнитным полем Земли, — это и есть магнитосфера нашей планеты. При натекании сверхзвуковых плазменных потоков солнечного ветра на магнитосферу Земли, возникает ударная волна. Заметим, что понятие «сверхзвуковой», в данном случае, имеет место по отношению к так называемым альвеновским волнам, существующим в межпланетной плазме солнечного ветра.
Альвеновские волны — это поперечные магннтогидродинамические волны, распространяющиеся в плазме вдоль силовых линий магнитного поля (см. также Э 19.3). Благодаря свойству «вмороженности» последних, в колебаниях альвеновских волн участвуют не только электромагнитные поля, но и вещество проводящей среды. Скорость распространения альвеновских волн определяется плотностью плазмы и напряженностью магнитных полей. При очень малых плотностях альвеновские волны плавно переходят в обычные электромагнитные волны в вакууме.
Что касается ударной волны солнечного ветра, то ее фронт располагается на расстоянии нескольких десятков тыс. км ог границы земной магнитосферы. Указанное обстоятельство связано с тем, что «обтекаемое тело» вЂ” магнитосфера — является тупым, а ударная волна — отошедшей (см., например, фото-заставку к Э 14). Сам фронт ударной волны имеет толщину около 100 км, т. е. много меньше, чем длины свободных пробегов частиц плазмы межпланетной среды (в данном случае длины свободных пробегов сравнимы с расстоянием от Земли до Солнца, т.е. 150 млн км). В этой связи напомним, что в обычной газодинамике толщина фронта ударных волн сравнима с длинами свободных пробегов нейтральных (незаряженных) частиц среды (см.
конец э 1!.3). Таким образом, физика ударной волны солнечного ветра должна быть несколько иной. Поскольку здесь толщина фронта ударной волны много меньше длины пробега частиц, то столкновением самих частиц при формировании фронта можно пренебречь. По этой причине такие ударные волны называют бесстолкновительными. Известно, что толщина фронта ударной волны определяется процессами перехода всех видов энергии в тепло (диссипация). В обычной газодинамике ими являются вязкость и теплопроводность.
В космической плазме, в условиях бесстолкновнтельности процессов диссипацнн, ими являются коллективные резонансные явления передачи энергии от быстрых заряженных частиц к возбужденным интенсивным плазменным 920. 0 соянечно-земнык связяк и геофизической гидродинамике 179 колебаниям (см. Я 19.4, 19.5). Существенную роль, в ограничении толшины фронта бесстолкновительной ударной волны, играет также факт наличия силы Лоренца, действующей на поток заряженных частиц плазмы со стороны параллельного фронту магнитного поля.
На фронте бесстолкновительных ударных волн испытывают скачки плотность и температура межпланетной плазмы, а также скачком возрастает напряженность магнитного поля солнечного ветра. Приведем количественные данные о плотности числа частиц и в плазме межпланетной среды и околоземном космическом пространстве. В плазме солнечного ветра и ~ 1 —:!О см з.
Магнитосфера и радиационные пояса Земли имеют и 10~ см з. Ионосфера Земли (на высоте 350 км) имеет и 10~ см з. В указанных космических плазмах, как правило, отсутствует термодинамическое равновесие, в частности между электронной и ионной компонентами. По отношению к быстропрогекающим процессам такие плазм»я являются бесстолкновительными. Рассмотренная выше ударная волна на границе магнитосферы, является примером такою бысгропротекающего процесса. Остановимся теперь на свойствах самой магнитосферы Земли.
Бесстолкновительная ударная волна, образующаяся перед земной магнитосферой, отклоняет плазменный солнечный поток, который затем обтекает магнитосферную полость, окружающую Землю. Плотность энергии магнитного поля, вмороженного в плазму солнечного ветра, составляет всего 1 % от плотности кинетической энергии потока на орбите Земли. Казалось бы, критерий эффективного проявления процессов пересоединения магнитных силовых линий солнечного ветра и земного магнитного диполя не выполняется.
Тем не менее, в небольшой области на границе магнитосферы (с подсолнечной стороны), где плазменные потоки «натыкаются» на магнитосферную «броню», сама плазма сильно турбулизована, и ее электрическое сопротивление резко возросло. Другими словами, здесь нарушается условие «вморсскенности» магнитных полей. Это способствует возможности пересоединения магнитных силовых линий плазмы солнечного ветра и магнитного земного поля. Особенно заметными эффекты пересоединения становятся в случаях, когда силовые линии магнитных полей солнечного ветра и дипольного поля Земли (в области их тесного взаимного соприкосновения) антипараллельны.
Увлекаемые солнечным плазменным потоком, пересоединенные силовые линии магнитного поля Земли образуют протяженный магнитный шлейф — хвост магнитосферы. По законам гидродинамики, при обтекании тел, благодаря вязкости, образуется относительно узкое пристеночное течение — пограничный слой (см. 9 7.2). Аналогичная ситуация осуществляется и при обтекании солнечным ветром замагниченной земной каверны.
Пограничный слой солнечной плазмы образует «плазменную мантию» магннгосферы Земли. Поскольку электрическая проводимость плазмы в пограничном слое конечна (хотя и велика), то не исключаются процессы медленного дрейфа магнитного поля и диффузии частиц солнечной плазмы во внугрен- 180 его. 0 солнечно-земных связях о геофозичеснод годродономоне ние области земной магнитосферы.
В результате, магнитосфера Земяи постепенно будет накапливать магнитную энергию и вещество. Магнитная конфигурация хвоста магнитосферы будет представлять собой антипараллсльные «потоки» силовых линий, разделенные нейтральной полосой. Процессы возмушения и неустойчивости плазмы приводят к пересоединению магнитных силовых линий в ряде мест нейтральной полосы. В итоге образуются как замкнутые на Землю силовые линии, так и свободные магнитные петли. Последние могут порождать изолированные области плазмы — плазмоиды; формируется и механизм выброса плазмоидов, уносящих избыток энергии из хвоста магнитосферы. Заметим, что диаметр хвоста магнитосферы имеет размеры около 301сз (земных радиусов), а длина епз превышает 1ОООЯз. Вблизи Земли, на расстояниях 4 —: 5з1з, силовые линии днпольного магнитного поля нашей планеты образуют своего рода «магнитную ловушку».
В поперечном сечении указанной конфигурации магнитного поля силовые линии сгушаются у полюсов и расходятся аркой между ними. В околоземном пространстве возникает незримая магнитная «тороидальная камера» с источниками и стоками силовых линий, у обоих магнитных полюсов. Заряженные частицы, оказавшиеся в такой области магнитного поля, могут двигаться, в общем случае, лишь вдоль силовых линий, одновременно совершая врашение вокруг них. Там, где силовые линии сгущаются, т. е. магнитное поле усиливается, частицы испытывают «отражение». В результате они будут совершать колебания между полюсами, и окажутся запертыми в ловушке. Среди такого рода частиц окажутся и частицы высоких энергий от солнечных вспышек. Они образуют так называемые «радиационные пояса» Земли.
Концентрация частиц в них зависит от состояния Солнца. Поэтому обеспечение безопасности полетов на пилотируемых орбитальных станциях связано с возможностью прогнозов солнечной активности. Возмущения магнитосферы Земли преимушественно возникают тогда, когда на ее дневной стороне магнитные силовые линии солнечного ветра и земного дипольного поля будут иметь противоположные направления. В этот отрезок времени (как отмечалось неоднократно) становятся резко выраженными эффекты пересоединения силовых линий, и хвост магнитосферы оказывается резервуаром лля интенсивно поступающей магнитной энергии. Ее накопление происходит быстро и до тех пор, пока не разовьются плазменные неустойчивости.
Магнитосфера испытает перестройку, и ее энергия может выделиться взрывным путем. В этот момент, в частности, возможны интенсивные полярные сияния и магнитные бури. В заключение раздела отметим, что открытие сушествования солнечного ветра, самой магнитосферы Земли, ее радиационных поясов было сделано с помощью новых научно-технических средств — запусков ИСЗ, межпланетных космических аппаратов. Изучение единой связанной электродинамической и магнигогидродинамической системы «солнечный зГО.
О сопнечно-зенных связях и геофозоческой годродонамаке 181 ветер — магнитосфера Земли — ее ионосфера» явится базой для глубокого понимания таких явлений, как формирование и изменение климата на нашей планете, эволюции ее биосферы, 20.4. Атмосфера и океан. Задача о вращающейся жидкости Указанную задачу рассмотрим лишь качественно. Пусть несжимаемая жидкость равномерно вращается как целое. Предположим, что слой такой жидкости силами тяготения удерживается на вращающейся твердой сфере. С последней свяжем систему отсчета. В этом случае, как известно, в механические уравнения движения должны быть введены две инерциальные силы — центробежная и кориолисова.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
