КОСМИЧЕСКАЯ МАГНИТОГИДРОДИНАМИКА, Альвеном земной магнетизм

КОСМИЧЕСКАЯ МАГНИТОГИДРОДИНАМИКА, раздел астрофизики, изучающий
динамику течений проводящих жидкостей и ионизованных газов (плазмы) в магнитном
поле в космических условиях. Основы К. м. были заложены в 1950-х Х. Альвеном.
К явлениям, изучаемым К. м., относится, в частности, земной магнетизм: в недрах
Земли происходят электромагнитные процессы, создающие магнитное поле нашей
планеты. В пределах области размером ок. десяти земных радиусов, это поле образует
магнитосферу Земли. Состояние магнитосферы зависит также от электромагнитного поля
солнечного ветра, которое в свою очередь определяется солнечной активностью –
совокупностью электромагнитных явлений, наблюдаемых на Солнце.
К. м. рассматривает плазму в космосе как движущуюся сплошную среду,
обладающую высокой электрич. проводимостью. В такой среде любые электрич. поля
(напр., порождаемые градиентами газового давления) создают электрич. токи и, как
следствие, магнитные поля.
В многочисл. приложениях К. м. широко используются методы магнитной
гидродинамики. Отличительной особенностью К. м. является исследование огромных
объёмов плазмы, определяемых гигантскими размерами астрономич. объектов (напр.,
звёзд). Время диссипации электрич. токов в этих условиях на много порядков превышает
характерное время движений плазмы в астрономич. объектах (напр., период вращения
Солнца), а довольно часто и характерное время их эволюции. Это позволяет пренебречь
затуханием магнитного поля в космич. плазме и рассматривать её как идеальную среду,
движущуюся вместе с магнитным полем. Магнитное поле рассматривают как
совокупность силовых линий, скреплённых со средой («вмороженных» в неё). Это
свойство существенно упрощает решение задач К. м., превращая понятие магнитной
силовой линии из чисто геометрического (как для магнитного поля в вакууме) в
материальное.
В космич. объектах плазма движется вместе с линиями магнитного поля (и
соответствующими токами) или вдоль них, причём принципиальное значение имеет
соотношение между кинетич. энергией течения плазмы и энергией магнитного поля.
Слабое магнитное поле легко увлекается движениями плазмы. Её регулярные и хаотич.
течения растягивают, изгибают и скручивают линии магнитного поля, придавая им
сложную форму. Это может привести к усилению магнитного поля (т.н. динамо-эффект),
что наблюдается, напр., внутри Солнца. Напротив, сильное магнитное поле, изменяясь во
времени, само приводит в движение плазму, напр., в атмосфере Солнца во время
солнечных вспышек.
«Вмороженность» линий магнитного поля позволяет объяснить существование
материальных объектов, вытянутых вдоль этих линий. Так в атмосфере Солнца
существуют участки плотной холодной плазмы, которые под действием силы тяжести
прогибают линии магнитного поля и могут удерживаться на них как на упругих нитях.
Такие образования, называемые спокойными протуберанцами, могут в течение неск.
недель висеть над поверхностью Солнца. Внутри активных протуберанцев наблюдаются
быстрые движения, а сами они нередко выбрасываются вверх силами натяжения линий
магнитного поля со скоростями порядка нескольких сотен километров в секунду.
Наиболее интересное явление в К. м. связано с нарушением «вмороженности» в тех
точках пространства, где магнитное поле обращается в ноль. В присутствии электрич.
поля здесь происходит разрыв линий магнитного поля и их соединение таким способом,
который обеспечивает перераспределение магнитных потоков. С этим эффектом,
называемым магнитным пересоединением (пересоединением магнитных силовых линий),
связано накопление энергии магнитного поля перед солнечной вспышкой и её
превращение в кинетич. энергию частиц во время вспышки.
К.м. является частью плазменной астрофизики – науки, которая использует методы
физики плазмы для интерпретации астрофизич. явлений. Плазменная астрофизика
учитывает кинетич. эффекты, характерные для разреженной высокотемпературной
плазмы, и поэтому имеет более широкую, чем К. м., область применимости. Напр.,
позволяет объяснить ускорение заряженных частиц до высоких энергий в областях
магнитного пересоединения во время вспышек в коронах звёзд и аккреционных дисков, а
также в релятивистских космич. объектах (нейтронных звёздах, чёрных дырах).
Лит.: Альвен Х., Фельтхаммар К.-Г., Космическая электродинамика, М., 1967; Сомов Б.В.,
Космическая электродинамика и физика Солнца, М., МГУ, 1993; Somov B.V., Plasma
Astrophysics, Second Edition, N.Y., Springer, 2013.
Б.В. Сомов.