Иванов Б.Н. - Мир физической гидродинамики. От проблем турбулентности до физики космоса (1107606), страница 48
Текст из файла (страница 48)
Скорость такой узконаправленной струи соизмерима со скоростью света. Возвратимся к тесной двойной системе звезд БЯ 433. Мы относительно подробно рассмотрели компактную компоненту этой системы— пульсар. Гигантское поле тяготения пульсара, как уже отмечалось, вызывает истечение вещества (аккрецию) обычной звезды в направлении пульсара. Вокруг последнего формируется аккреционный релятивистский диск, вещество которого интенсивно стекает в окрестности магнитных полюсов пульсара, ибо конфигурация силовых линий магнитного поля в районе полюсов напоминает «воронку», Вещество аккреционного диска с околосветовой скоростью сталкивается с твердой корой пульсара, вызывая ее сильнейший разогрев и генерацию тормозного рентгеновского и гамма-излучения. Возможно, что плазменный поток аккрецируюгдего вещества является «замагниченным», ведь размеры магнитосферы пульсара в 10з + 10» раз превосходят его собственные.
Тогда не исключено, что в потоке возникает мощная ударная волна магнитогидродинамического типа. Прн ее вхождении в «магнитную воронку» у поверхности пульсара неизбежны процессы коллапса волн и «вмороженной» плазмы. Сопутствующим эффектом может стать пересоединение магнитных силовых линий замагниченного потока и поля пульсара (см. Э 20.3), Этот эффект, как известно, сопровождается огромным выделением «свободной энергии» и кумуля- 205 Ястрофизикп тинным выбросом вещества (подобно образованию «спикул» в солнечной атмосфере).
Заметим, что магнитные силовые линии «полярных» областей пульсара являются «разрывными» и уходят практически параллельным пучком на бесконечность. При этом электродинамика магнитосферы пульсара такова, что имеется значительная компонента электрическою поля, ориентированная вдоль поля магнитного '1. Это способствует формированию узких направленных струй вещества вдоль «трубчатого магнитного канала». В соответствии с наличием двух магнитных полюсов («горячих областей») у пульсара, будут формироваться две плазменные струи вещества со взаимно противоположным направлением истечения.
Медленная прецессия направления этих струй в пространстве (с периодом 164 дня) возможно связана с медленным «покачиванием» аккреционного диска (также с периодом !64 дня), перпендикулярно плоскости которого направлены сами струи. Таковы, отчасти гипотетические, механизмы формирования космических выбросов вещества из объекта ЗЗ 433. В несравненно больших масштабах космические вьгбросы вещества наблюдаются в активных ядрах гигантских галактик и квазарах.
К 919.2. Механизм гияромагиитиого динамо в космических структурах* Механизм гидромагнитного динамо есть способ «генерации» и усиления магнитных полей путем преобразования механической энергии в энергию поля. Действие этого физического механизма в некоторой своей части аналогично работе обычной динамо-машины. Как известно, в последней связаны воедино движение проводника, магнитное поле и индукционный электрический ток. Отсюда ясно, что для реализации динамо-эффекта необходимо хотя бы малое затравочное магнитное поле. Оказывается, что происхождение магнитных полей планет, Солнца, большинства звезд, Галактики может быть объяснено с помощью указанного механизма динамо.
Однако для его воплощения требуются определенные условия. Одно из них было отмечено выше. Другое состоит в том, что гидродинамическая среда должна быть электропроводяшей. Далее, геометрия (точнее топология) движений потоков в системе обязана представляться картиной с нарушенной зеркальной симметрией, когда преобладают вихри одного знака (правовинтовые или левовинтовые). Сам характер движений рассмотрим на примере глобальных течений плазмы в структуре звезд. Здесь многое сходно с движениями воздушных масс в земной атмосфере (см. э" 20.4). '1 Смс А. Д Гуревич Вестник АН СССР. 1906.
Ж 4; ев лсе. УФН. 1906. Т. 150. Вып. 2. "В тексте книги мы пользовались названием «турбулентное динамо». Оба они употребительны в паузной терминологии. Лриложеное Взаимодействие врашения звезды с конвективными движениями и меридиональной циркуляцией приводит к лифференциальному (неоднородному) угловому вращению слоев звезды на разных глубинах, Заметим, что возникновение меридиональной циркуляции связано с вязким переносом момента количества движения от экваториальных слоев к полярным. Наличие неоднородного углового вращения в «замагниченной» звездной плазме приводит к усилению ее собственного начального магнитного поля.
Дело в том, что кориолисовы силы так отклоняют поднимающиеся конвективные потоки газовой плазмы (вместе с «вмороженным» в нее меридиональным магнитным полем), что образуются «петли» из растянутых магнитных силовых линий в азимутальной плоскости (тороидальное магнитное поле). Поскольку у оснований конвективных ячеек и у их верхних частей угловые скорости врашения различны, то магнитные «петли» испытывают перекручивание, и образовавшиеся связанные контуры могут налагаться один на другой. При этом магнитный поток удваивается. Такая операция может повториться многократно. Тем самым магнитные поля усиливаются тг.
Так качественно можно себе представить топологию гидродинамических течений плазмы во внешнем ядре нашей планеты. Именно оно ответственно за механизм динамо Земли, поскольку магма не является электропроводящей средой. Солнечный механизм динамо формируется в конвективной зоне, начинаюшейся сразу от поверхности (фотосферы) и простираюшейся до одной четверти радиуса Солнца. Механизм динамо успешно объясняет данные о магнитном поле нашей Галактики. Для этого имеются все основания, Известно, что угловая скорость галактического диска уменьшается от центра к периферии.
Вспышки сверхновых звезд (являющихся старыми) и образование молодых звезд ведет к турбулизации межзвездной галактической среды. Сама же турбулентность, облгдаюшая усредненной преимушественной спиральностью, способствует интенсивному перемешиванию вешества. В результате, скорость образования магнитного галактического поля способна сбалансировать его затухание за счет процессов омической диссипации (джоулевы тепловые потери) и диссипации в тепло за счет вязкости.
Следует вообше отметить, что магнитные поля во Вселенной вносят в ее жизнь активность и проявления бурных процессов. Действие лишь ядерных и гравитационных сил в космосе делало бы эволюцию Вселенной довольно однообразной. Полярные сияния в атмосфере Земли и вспышки на Солнце являются проявлениями магнитной активности в единой солнечно-земной системе (см. подробней в 8 20.3). 2) Чтобм не усложнять изложение, мы опускаем ряд тонкостей явления. Подробней смс Зе«ьдо«и«Я, д в др. турбулен~ное динамо в астрофизике. Мс !980; Рузи«яки~ А.А. Пгдромагнитное динамо Л Маленькая энциклопедия «Физика космоса». М., 1986. Астрофизика 207 К 010.3. Мазериый эффект в космосе Термин «мазер» относится к квантовым генераюрам и усилителям микроволнового радиоизлучения.
Их принцип действия тот же самый, что и у лазеров, использующих (в основном) видимую область спектра (см. 0 10.3). В нашей Галактике и ряде соседних галактик обнаружено несколько сотен космических мазеров. Что это за феномен — космический мазер? Дело в том, что одним из уникальных свойств космической среды является возможность сушествования в ней долгоживущих высоковозбужденных квантовых сосюяний атомов и молекул. Причина в том, что, например, межзвездный газ может обладать весьма низкой плотностью числа частиц, и, одновременно, иметь огромную пространственную протяженность.
Подобных условий лля состояния вещества на Земле не осуШествить| Как получить квантованное радиоизлучение от такой простой системы, как атом водорода? Вспомним боровскую модель водородного атома. Энергия единственного связанного электрона записывюгась в виде р е Е= — — —, 2т, г' где е — заряд электрона; рг/(2пг,) — его кинетическая энергия, а слагаемое — еггг определяет потенциальную энергию взаимодействия электрона с ядром (протоном). Для перехода от этого классического выражения полной энергии атомного электрона к его формулировке в квантовом случае необходимо воспользоваться соотношением неопределенностей (см.
017.1) гарет > д. Для атома неопределенность импульса Ьр р; то же для координаты Ьг т. В результате получим йг ег Е— 2гп,гг г Сюда входит лишь одна переменная т и атомные константы Ь, е, т,. Чтобы составить представление о размерах атома в невозбужленном состоянии (когда энергия системы минимальна), необходимо решить уравнение дЕ/г1г = О. В итоге ,г г, = —. т,ег Величина энергии основного (невозбужденного) состояния атома водорода найдется, если подставить г, в выражение для энергии, тогда 4 Е,=-— 2йг 208 Приложение Обобщением этой формулы на возбужденные квантовые состояния явится связь Е« Е,= —, где п = 1, 2, 3,...
есть главное квантовое число возбузкденного атомного состояния. Используя выражения для г„Е, и Е„, можно написать 2 та тата ° Здесь г„размеры атома водорода в возбужденном состоянии с квантовым числом п. Так, в свободном космическом пространстве существуют атомы водорода, возбужденные до 100 ли 150 состояний. При и = 100 радиус атома водорода возрастает в ! О«раз, т.е. его размеры составляют 1О 4 см.
Ясно, что такой «раздутый» в 10000 раз атом в земных условиях «жить» не будет: он немедленно отдаст свою энергию при столкновении с другими частицами. Напомним, что при атмосферном давлении и нормальной температуре (когда плотность числа частиц 1О'а см 2) молекула газа испытывает около !ОР столкновений в секунду (см. э 5.!). В межзвездной среде при плотности числа частиц 102 лп 1Оз см з под влиянием излучения «накачки» от некоторого источника возможно образование атомов с высоким уровнем возбуждения.
Последующие каскадные переходы между близкими высоковозбужденными уровнями (например, переход в атоме водорода из состояния с и = 158 на уровень с и = 157) происходит с испусканием фотонов весьма малых энергий, соответствующих радиодиапазону (так, в атоме водорода указанной разнице номеров состояний сопоставляются фотоны с длиной волны Л щ 18 см). Поскольку вероятность спонтанных переходов между высоковозбужденными уровнями уменьшается с номером уровня п как п з, а испускаемые фотоны имеют малую энергию, то для образования радиолинии в спектре излучения требуется громадное количество атомов на луче зрения наблюдателя-радиоастронома. Заметим, что интенсивность излучения наблюдаемых радиолиний обычно в 102 —: 102 раз слабее, чем в оптическом диапазоне.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
