Научные отрасли

Космическая магнитогидродинамика

Косми́ческая магнитогидродина́мика, раздел , изучающий динамику течений проводящих жидкостей и ионизованных газов () в магнитном поле в космических условиях. Основы космической магнитогидродинамики были заложены в начале 1950-х гг. .

К явлениям, изучаемым космической магнитогидродинамикой, относится, в частности, : в недрах Земли происходят электромагнитные процессы, создающие магнитное поле нашей планеты. В пределах области размером около 10 земных радиусов это поле образует . Состояние магнитосферы зависит также от электромагнитного поля , которое, в свою очередь, определяется – совокупностью электромагнитных явлений, наблюдаемых на .

Космическая магнитогидродинамика рассматривает как движущуюся сплошную среду, обладающую высокой электрической проводимостью. В такой среде любые электрические поля (например, порождаемые градиентами газового давления) создают электрические токи и, как следствие, магнитные поля.

В многочисленных приложениях космической магнитогидродинамики широко используются методы (). Отличительной особенностью космической магнитогидродинамики является исследование огромных объёмов плазмы, определяемых гигантскими размерами астрономических объектов (например, , ). Время диссипации электрических токов в этих условиях на много порядков превышает характерное время движений плазмы в астрономических объектах (например, период вращения Солнца), а довольно часто и характерное время их эволюции. Это позволяет пренебречь затуханием магнитного поля в космической плазме и рассматривать её как идеальную среду, движущуюся вместе с магнитным полем. Магнитное поле рассматривают как совокупность силовых линий, скреплённых со средой ( в неё). Это свойство существенно упрощает решение задач космической магнитогидродинамики, превращая понятие магнитной силовой линии из чисто геометрического (как для магнитного поля в вакууме) в материальное.

В космических объектах плазма движется вместе с линиями магнитного поля (и соответствующими токами) или вдоль них, причём принципиальное значение имеет соотношение между кинетической энергией течения плазмы и энергией магнитного поля. Слабое магнитное поле легко увлекается движениями плазмы. Её регулярные и хаотичные течения растягивают, изгибают и скручивают линии магнитного поля, придавая им сложную форму. Это может привести к усилению магнитного поля (т. н. ), что наблюдается, например, внутри Солнца (). Напротив, сильное магнитное поле, изменяясь во времени, само приводит в движение плазму, например, в атмосфере Солнца во время .

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 , могут в течение нескольких 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 км/с.

Однако наиболее интересное явление в космической магнитогидродинамике связано с нарушением вмороженности в тех точках пространства, где магнитное поле обращается в нуль. В присутствии электрического поля здесь происходит разрыв линий магнитного поля и их соединение таким способом, который обеспечивает перераспределение магнитных потоков. С этим эффектом, называемым , связано накопление энергии магнитного поля перед солнечной вспышкой и её превращение в кинетическую энергию частиц во время вспышки.

Космическая магнитогидродинамика является частью – науки, которая использует методы физики плазмы для интерпретации астрофизических явлений. Помимо гидродинамических плазменная астрофизика учитывает кинетические эффекты, характерные для разреженной , и поэтому имеет более широкую область применимости, чем космическая магнитогидродинамика. Например, позволяет объяснить ускорение заряженных частиц до высоких энергий в областях магнитного пересоединения во время вспышек на Солнце, в других звёзд и , а также в релятивистских космических объектах (, ).

  • Методы астрофизических исследований
  • Разделы астрономии
  • Плазма в природе, космосе и астрофизике
  • Астрофизические процессы и явления
  • Физика космической плазмы