Исследования космоса продолжаются

Квант 1984, №4 с. 5, 6, 7, 8, 10 Тег GRQ0

Каждай год приносит советской науке новые успехи в исследовании космоса. Немало было сделано в этой области и в прошлом году.

150 суток работали на борту орбитальной станции «Салют-7» космонавты Владимир Ляхов и Алексадр Алексадров. Они, в частности, выполнили общирную программу исследований природных ресурсов Земли, по которой совместно с космонавтами работали экспертизы на специальных судах, самолетах, наземных станциях. Например, в сентября 1983 года был проведен комплексный эксперимент «Интеркосмос — Черное море», в ходе которого одновременно осуществлялось «многоэтажное» наблюдение за состоянием моря и атмосферы над ним на различных глубинах и высотах.

Выдающимся достижением является установка на станции «Салют-7» дополнительных солнечных батарей, которые значительное увеличили сабженные станции энергией. Это большой шаг на пути к будщим montажным работам по сборке сложных технических сооружений в космосе. На приведенном вверху снимке вы видите космонавта А. Алексадрова во время повторного выхода в открытий космос.

Изучение разнообразных технических процессов в условиях невесоности и глубокого вакуума, выполненное на станциях «Салют-6» и «Салют-7» при длительных космических полетах, позволяет приступить к производству ценных полупроводниковых материалов, кристаллов с необычными свойствами, новых лекарстенных веществ.

Успешно продолжались исследования планеты Венеры. В прошле года были получены очень ценные для планетологии сведения о составе и строении венерианской атмосферы, а затем и поверхности этой планеты в экватorialном порядке (на фотографии визу воспроизведена панорама участка поверхности Венеры, полученная со спускаемого аппарата станции «Венера-14»). Оказалось, что поверхность планеты нагрета до 460 °C. Atmosфера Венеры в основном состоянии из углекислого газа и азота и оказывает на поверхности планеты давление, равное 90 атм.

В 1983 году на орбиты спутников Венеры вышли две советские косми-

ческие станции «Венера-15» и «Венера-16». Они намного сложнее своих предшествниц. Обе станции имеют радиолокационные установки бокового обзора, позволяющие изучать рельеф поверхности планеты вранее недоступных полярных областях. Таким образом, в недалеком будшем наша наука будет располагать детальной картоЙ поверхности Венеры во всех ее районах. Из того, что мы уже знаем об этой планете, следует, что у нее есть массивные горные цепи, а высота гор доступа иногда 13 kilометров, что намного выше Эвереста.

Станции «Венера-15» и «Венера-16» основаны также аппаратурой, позволяющей регистрации тепловое излучение различных слоев венерианской атмосферы, расположенных выше облачного слоя, на высотах от 65 до 95 kilометров над поверхностью планеты. Именно на этих высотах возникает так называемый «парниковый эффект» — поглощение атмосферы значительной части тепла, уходящего с поверхности Венеры в космическое пространство. Он-то и приводит к дополнительному нагреванию планеты. Существует предположение, что аналогичный эффект может возникнуть и в атмосфере Земли под влиянием продуктов сжигания организации топлива. Это может привести к нежелательным изменениями нашего климата. Изучение этого явления представляет большой интерес для meteorologов и климатологов.

Эксперимент по исследованию температуры разных слоев atmosферы Венеры подготовлен советским учеными совместно с учеными из ГДР.

В 1983 году были произведены запуски советских космических обсерватории «Астрон» и «Прогноз-9», предназначенных для исследования далеких глубин Вселенной. «Астрон» основан самым крупным оптическим телескопом, вынесенным за пределы земной атмосферы. Телесоп детально исследует звезды различных типов, а также далекие галактики и квазары. Обнаружены звезды, в атмосфере которых в сотни раз больше урана, свинца и волфрама, чем в атмосфере Солнца. Зарегистрировано несколько галактик с необъявной высотим уровнем ультрафилотового излучения.

Успешно функционирует и установленный на «Астрон» ретгеновский телескоп. Он использует для исследования сверхновых звезд, а также вспышивающих ретгеновских звезд — барстеров*. Этот телескоп позволяет зарегистрировать эффект «включения» источника ретгеновских лучей в созвездии Геркулеса.

Нынешняя администрация США неоднократно обьявляла о своей стремлении перевести и без того чудовищно опасную гонку вооружений в космическое пространство, о подготовке будщин «звездных войн» против социалистических государств. Советский Союз ведет активную борьбу за прешешение размещения каких-либо видов оружия в околоземном космическом пространстве. Мы за мирный космос, изучаемый совместными усилиями ученых разных стран.

*) См. «Кваант», 1983, № 8.

нием вещества (расплавленное железо с примесью углерода, серы, кремния) в жидкой оболочке ядра Земли (это сферический слой, заключенный между 0,19 и 0,55 радиуса Земли). В газообразных звездах (таких, как нашей Солнце) магнитное поле генерируется во внешней частино ионизованной оболочке толщиной около 1/10 радиуса звезды.

Итак, космические магнитные поля создают токами, протекающих в электропроводящей среде. Похожим образом создают поля в катушке электромагнита (рисунок 1, 6). Но для поддержания тока в электромагните нужен внешний источник энергии. Между тем в космических условиях «батарайные» ЭДС, действующие за счет химических или тепловых эфективов, обычно слабы или вообще отсутствуют. Основным источником магнитных полей в космических условиях служит движение самой проводящей среды.

Космические магнитные поля отличаются неопостоянием. Например, крупномасштабное поле Солнца почти перiodически изменяет свою полярность через каждые 11 лет. С этим изменениями связана циклиность солнечной активности, которая проявляется в виде темных пятен, солнечной короны, вспышек и других явлений. В последние годы циклиность обнаружены у многих звезд. Близкое нам магнитное поле Земли также оказывается неопостояным. Через большие промежутки времени — примерно в действии лет — оно меняет свое направление на 180°: северный магнитный полюс становится южным и наоборот.

Почему изменяется магнитное поле в проводящей среде

Электрическое поле, создавшее зарядом, исчезает, если этот заряд нейтрализовать зарядом противоположного знака. В плазме, состоящей из равного колчества движущихся положительных и отрицательных зарядов, любой избиток заряда одного знака, случайно появляющийся в какой-нибудь области, быстро нейтрализуется. Ясно, что время нейтрализации электрического поля тем короче, чем больше электропроводность плазмы. Magнитное поле в плазме создается движущимся зарядами, то есть электрическими токами. Очевидно, с изменением тока будет меняться поле.

Обсудим вначале, как изменяются токи не в плазме, а в обычных металлических проводах, которые имеются в каждой комнате.

Рассмотрим виток радиуса $r$ провода поперечного сечения $\pi l^2$ с удельным сопротивлением $Q$ (Ом·м). Пусть сначала виток подключен к батарее и в нем течение ток $I$ (А), который создает в пространстве вокруг витка магнитное поле $B$ (Тл). Максимальное поле достигается в центре витка. Оно перпендикулярно его плоскости и равно по величины $B_{\max} = I/2r$ . Магнитную энергию этой системы можно оценить как

$W \approx \mu_0 \frac{B^2_{\max}}{2} \cdot \frac{4}{3} \pi r^3 \quad (\mu_0 = 4\pi \times 10^{-7} \Gamma_{\mathrm{H}} \cdot \mathrm{m}).$

Рис. 1. Магнитное поле Земли (a) внешнее сходно с полем постоянного магнита. Оdnako природа этих полей различна. Магнитизм магнита объясняется сложными квантовыми свойствами частиц, входящих в состав твердого тела. Магнитное поле Земли создается электрическими токами, текущими в жидком ядре. В этом плане земное поле подобно полю электромагнита (б).

ка, сохранить цель замкнутой. На первый взгляд, ток немедленно прекратися вследствие сопротивления проводника $R$ . Оdnako в действительности ток исчезнет не мгновенно. Темп его затухания определяет быстрое джоульевых потерь $N = I^2 R$ (Дж/c). Ток поддерживает запасенная вокг витка магнитная энергия. (Отметим, что магнитная энергия намного больше кинетической энергии носителей тока — электровов.) Эта энергия исчезвает за время

$\tau \approx \frac{W(\Delta x)}{N(\Delta x/c)} \sim 10^{-6} \sigma l^2(c),$

где $\sigma = 1/\varrho$ — проводимость материала витка.

Оценим величины времени затухания поля $t$ для медного провода с радиусом поперечного секции $l = 1$ см. Проводимость меди составляет около $6 \cdot 10^7 (\Omega \cdot \Omega)^{-1}$ . Получим, что теньше сотой доли секунды.

Обратимся теперь к космической плазме. Ее электропроводность обычно такая же, как у плохих металлов, но размеры области, занятых токами, гирантские. В этом случае характерное время изменения поля становится очень большим. Например, в верхней оболочке Солнца электропроводность плазмы составляет около $10^6 (\Omega \cdot \Omega)^{-1}$ (при комнатных температуре примерно также же $\sigma$ имеет ртуть, нижром и высут). Радиус Солнца равен ~700 тыс. км, то есть $7 \cdot 10^8$ м. Следовательно, время исчезновения поля, создаваемого токами, текущими в оболочке размером в 1/10 радиуса, равно по порядку величины $10^{15}$ с, или около 100 млн. лет! Разумеется, оценка весма приближенная. Но сравните с долями секунды для медного провника. Выходит, что привчное электреческое сопротивление практически не изменяет однжды созданные крупномасштабные магнитные поля. Как же тогда обьяснить, что, скажем, солнечное магнитное поле изменяется за более короткий промежуток времени — 11 лет?

Причина в том, что среда движения. Движение среды, в которой имеются свободные положительные и отрицательные заряды, эквивалентно движения проводника. В учебнике «Физика 9» показано, что движения проводника в магнитном поле сопроводается появлением электродвижений силы, и, если концы такого проводника замкнуты, в цепи возникнет ток. Этот вторичный ток сам создает магнитное поле, которое, складывая с первоначальным полем, изменяет его. Замечательно, что в результате такого изменения в идеально проводящей плазме, сопротивление которого равно нулю, суммарный магнитный поток $\Phi = BS$ (S — площадь контур) должен оставаться неизменным. Это значит, что магнитное поле, создаваемое движущимся проводником, как бы перемещается вместе с ним. Такое поле принято назвать вмороженным в плазму магнитным полем. Наглядно можно себе представить магнитное поле в движущейся проводящей среде, где на поверхности легкой нити, брошенной в поток: нить не только переносится, но и растягивает, если частицы, движущие в потоке, удалиются друг от друга.

При вмороженности движение плазмы как единого целого переносит магнитные линии. Движение же одних частей плазмы относительно других деформаций магнитные линии: растягиваются и изгибаются их. Magнитная линия, которая perвоначально проходит через две близкие части плазмы, будет и в дальнейшем проходит через эти же частицы, то есть следовать за их перемещениями (рисунок 2). Количество магнитных линий, произвольших любую площадку, охватывающего замкнутым контуром из движущихся жидких частиц, остается неизменным (при $\varrho = 0$ ). Magнитная индекция $B$ поля может возникать при деформациях, когда сближаются участки с одинаковым направлением поля, и ослабляется при сближении участков с противоположным направлением поля. Это видно из

Рис. 2. Изменение магнитного поля при перемещении части идеального проводящей плазмы из положения 1 — 2 в положение 1’ — 2'.

равенства $B = \Phi/S$ : если $\Phi$ сохраняется неизменным, то $B$ меняется обратно пропорционально $S$ .

Смытий простой способ усилить мороженое магнитное поле состоит в скатин слоя плазмы (то есть в уменьшении значения $S$ ). Эта идея используется для простейшего обяснения гигантских магнитных полей пульсаров. Пульсар представляет собой компактную нейтронную звезду с радиусом $r$ порядка 10 км. Если предположить, что нейтронная звезда получалась путем скатия обччной звезды с радиусом $r_0$ около 1 млн км, то, значит, в процессе скатия ее радиус уменшился в $10^5$ раз. Сохранение магнитного потока ознакомлено.

$\pi r_0^2 B_0 = \pi r^2 B,$

где $B_0$ — поле исходной звезды, $B$ — поле пульсара. Следовательно, при скатии поле усиливается в $(r_0/r)^2 = 10^{10}$ раз. Поэтому скромное магнитное поле обчной звезды с магнитной индукцией, скажем, 0,01 Тл превращается в поле с магнитной индукцией $10^8$ Тл.

С другой стороны, движения плазмы приводят к искривлению и запутыванию магнитных линей. А для мелкомасштабных полей, как мы видели, становится существенным джоулевы потери.

Оказывается, могут существовать такие движения плазмы, что эффект успешная крупномасштабного поля преобладает или по крайней мере не уступает ослаблению. В этом случае движущаяся плазма работает как генератор.

Такую машину естественно называть «динами» (генератор в свое время называли динамимо-машиной). Действие динамимо-машины обычно демонстрируют на примере рамы с током, врашающейся в поле магнита.

Гидромагнитное динамио

Динами в проводящей среде, о котором мы ведем речь, должно в отличие от технического генератора, работать без проводов, обмоток, а главное — без внешнего магнитного поля, которое в обычном генераторе обязано быть*). Поскольку источником энергии в этом динамиом служат только гидро-
динамическое движение плазмы, его называли «гидромагнитным». Для запуска гидромагнитного дианоно нулю только слабое начальное магнитное поле. Объчно слабые поля существуют благодаря различным эффектам взаимодействия между собой заряженных части плязмы.

Идея обяснения магнитных полей Земли и Солнца с помощью гидромагнитных движений была выдвинута известным английским физиком Дж. Лармором в 1919 году. Но возможно ли самовозбуждающееся гидромагнитное дианоно, «работающее» без внешних источников ЭДС? Положительный ответ на этот вопрос лучше всего использовать пример, впервые продемонстрированный в 1971 году академик Я. Б. Зельдовичем участникам симпозиума в Кракове.

Возьемм кольцевой жгут, состоящий из отдельных колечек-резинок (рисунок 3, а). Пусть резинок жгут имитирует магнитные линии, имеющие одинаковое направление (его удобно помещать стрелочками). Свернем жгут восьмерку (рисунок 3, б), наложим одно кольцо восьмерки на другое и растянем удвоенной жгут до прежнего размера (рисунок 3, с). Обратите внимание на направление стрелок; они одинаковы. Таким образом, количество магнитных линей, проходящих через любое поперечное сеечение жгут, удвоилось. Повторяя процессур складывания и растяжения, можно всякий раз удваивать количество магнитных линей в жгуте, пока этотму не помещает упругость резины. Заметьте, что стартовав из какой-нибудь точки первооначального жгут, можно было вернуть в ту же точку, обойдя один круг. После удвоения возврашения в ту же точку требуется уже двух обходов по окружности. Тем самым удвоенный жгут не вплоне эквивалентен исходному. Что бы избавиться от этого, можно всякий раз разрезать жгут в точке сиба восьмерки и сшивать освободившиеся окружности, складывая их затем в один удвоенный жгут, эквивалентный исходному.

В природных условиях операция удвоения может выполнять движения среды, в котором «вморожено» слабое начальное магнитное поле. Нетрудно представить себе движения такого

*) В современных больших генераторов ток, создавший поле, берется от самого генератора — в этом смысле сходство большое. Однако расположение обмоток и конструкции таких генераторов придуманы

Неоднородное вращение

Простейшее движение, характерное для всех планет, звезд и галактик, — вращение. Однако, если все части тела вращаются с одинаковой угловой скоростью, то есть вращение однородно, то и магнитные линии будут вращаться с телом, оставясь практическими неизменными. Для изгибов, растяжений и переворотов линейных отношений движения соседних части плазмы, то есть вращение должно быть неоднородным. Ясно, что твердые тела вращаются однородно, иначе они разрушаются. Жидкое или газообразное тело способно совершать и неоднородное вращение. Наблюдения за Солнцем показали, что экваториальные части нашей звезды совершают полный оборот на несколько суток быстрее, чем околополярные области. Косвенные данные указывают на то, что внутренние, непосредственное не наблюдаемые, области Солнца вращаются еще быстрее. Неоднородное вращение газовый диск Галактики: за одно и то же время его внутренние части делают больше оборотов, чем внешние.

Чтобы наглядно представить себе неоднородное вращение, вообразите, что перед вам несколько концентрических кругов карселей (рисунок 4, а). Те, что близке к центру, кругятся, скажем, быстрое карселей, расположенных дальше от центра.

Послеим на карселии по нескольку человек, так, чтобы все они расположились вдоль одного диаметра. Дадим им в руки резиновую вервку, закрепленную на концах диаметра и имитирующего магнитную линию, и включим вращение. Легко убедиться, что за несколько оборотов резиновая вервка (магнитная линия) скрутится в спираль (рисунок 4, б). Первоначально линяя располагалась вдоль диаметра, теперь она стала близка к окружности. Таким образом, неоднородное вращение сделало из радиального магнитного поля поле, направленное почти вдоль азимута.

Можно в качестве исходной взяты магнитную линию, которая «провисает» сверху вниз и изогнута в стороны вращения. В этом случае закручивание приведет к образованному двух колес с противоположно направленным полем. Однако из колес будет расположено выше карселей, другое — ниже. Но, как и в предыдущеем случае, встает

Рис. 6. Вращающийся слой плазмы с уменьшающейся вверх плотностью. Вращение слоя как целое сообщает дополнительную уловую скорость поднимающейся и раздувающейся вихро.

вращающемуся кругу). А это значит, что вихро сообщается еще одно дополнительное вращение, вызванное общим вращением слоя.

Очевидно, этот эффект возникствие общого вращения одинаков для всех поднимающих вихро — и право-, илевинтовых. На опускающейся и потому скимающейся вихри общее вращение действует в противоположную сторону, но знак вината будет тем же, что и поднимающих вихро. Виторе, действие общого вращения на сово

Рис. 7. Совместное действие на магнитное поле недородного вращения и спиральных движений. Вращение из исходного поля ( $B_0$ ) накручает азимутальное поле ( $B_\varphi$ ). Спиральные движения поднимают петли этого поля, они открывают, поворачивают, растяивают и сливают, давая новое поле, направление параллельно или антиparallelно исходному полю $B_0$ .

купность вихрея в недородном слое приведет к тому, что станет больше винтов того знака, который диктуется общим вращением. Но ситуация с преобладанием, скажем,левинтовых вихрея над правовинтовыми, как легко проверить, уже не будет обладать свойством зеркальной симметрии.

Такую турбулентность называют спиральной. Несмотря на ееxaотичность, здесь в среднем имеется неокоторая дополнительная закрутка. Спиральность и есть то организованное свойство, который отличается турбулентностью во вращающейся недородных по плотности космических телах (в ядрах планет, в звездах и галактиках).

Obviously спиральная турбулентность в космических телах действует совместно с недородным вращением. Как мы видели (рисунок 4), недородное вращение превращает поле, направленное по диаметру, в поле, направленное почти по азимуту, точнее — по спирали. Спиральная турбулентность поднимает у азимутального поля много петель и поворачивает их в различные стороны (рисунок 7). Но поскольку винты одного знака преобладают, то после сложения петель остается неокотное общее радиальное поле определяемого направления. Если новое радиальное после совпадает по направлению с первооначальным, то происходит усиление поля. Когда направление получащегося поля противоположно исходному, то возможно «обращение» поля. Это позволяет obсянить явление повторющихся обращений направления поля, которые наблюдаются на Солнце и других звездах. Заметим, что в случае с восьмеркой мы получили динамо с непрерывным усилением магнитного поля без обращений.

Не следует упускать из виду, что гидромагнитное динамо работает в условиях сильного турбулентного запутывания и уничтожения магнитных линей. Таким образом, рост или поддержание поля происходит на фоне непрерывногорождания новых и отмирания старых магнитных полей.

Гидромагнитное динамо широко используется для описания магнитных полей звезд, планет и галактик. В частиности, гидромагнитное динамо является, по-видимому, основным «двигателем» повторяющей солнечной активности.