Небесные магниты. Природа и принципы космического магнетизма

Хотелось бы как-то количественно выражать мысль о вмороженности, то есть о том, что движения среды гораздо важнее, чем диффузия. Физика – а если точнее, гидромеханика – выработала специальный язык для того, чтобы как-то характеризовать степень вмороженности магнитного поля. Для этого нужно сравнить диффузию и перенос с помощью макроскопических течений (для него есть ученое слово – «адвекция»). Простейшая и очень плодотворная идея – построить из скорости и других имеющих отношение к делу характеристик число той же размерности, что и коэффициент диффузии, и поделить это число на коэффициент диффузии. Получится число, которое показывает, насколько адвекция важнее диффузии. Делить нужно для того, чтобы получилось безразмерное число: про него можно сказать, большое оно или маленькое, а про числа с размерностью (как говорят в школе, именованные числа) трудно сказать, велики они или малы, если неясно, с чем их сравнивать. Например, километр как длина стороны квадратного садового участка – огромная величина, такой участок не займешь домом, цветником и огородом, и уход за ним потребует целой бригады садовников. А по сравнению с расстоянием хотя бы от Москвы до Петербурга это величина совсем небольшая. С такой точностью это расстояние просто не определено, ведь оба города вовсе не точки, и их размеры побольше километра.

Научная традиция связывает эту несложную, но очень полезную идею с именем английского ученого Осборна Рейнольдса (его не стоит путать с однофамильцем-художником). Поскольку диффузия магнитного поля, температуры и примеси все-таки разные вещи, то возникают разные безразмерные числа, которые принято называть именами ученых, внесших важный вклад в близкие области механики и физики (здесь нужно быть политически корректным: вопрос о том, является ли механика частью физики, не менее болезненный, чем норманнская проблема).

Безразмерное число, которое получается для магнитного поля, принято называть магнитным числом Рейнольдса. Оно строится так: характерная скорость умножается на характерный размер – у этой комбинации размерность коэффициента диффузии. То, что получится, делится на коэффициент диффузии. Напомним, что коэффициент диффузии магнитного поля обратно пропорционален проводимости.

Магнитное число Рейнольдса на Солнце – порядка 100 млн, также записывается как 10⁸. Это значит, что магнитное поле очень хорошо вморожено в среду, из которой состоит Солнце. Для сравнения, практически во всех течениях проводящих сред, которые приходят сразу в голову, магнитное число Рейнольдса безнадежно меньше единицы.

Проблема отчасти заключается в том, что в окружающем нас мире просто очень мало проводящих жидкостей. Конечно, есть, например, электролиты, соленая вода… да и само человеческое тело. Эта проводимость достаточна для того, чтобы не хвататься за оголенные провода бытовых приборов – ударит током. Ласточек, которые за окном сидят на проводах, током не бьет потому, что они сидят на одном проводе, так что не возникает электрической цепи: воздух не проводит ток. Все это очень важно в бытовом смысле, но с точки зрения достижения больших магнитных чисел Рейнольдса все это мелочи и совершенно несерьезно.

Чтобы хоть как-то начать разговор о магнитных числах Рейнольдса, применяемых в лабораторных условиях, нужно рассматривать потоки жидких металлов. Металлов, которые остаются жидкими при не очень высоких температурах, совсем немного. Это ртуть, галлий – вы о нем слышали? – и натрий, да и тот плавится при температуре около 100 ºС. Мало, чтобы металл был жидким, надо, чтобы его было много – скорость умножается на размер.

Если отвлечься от совершенно апокалиптических картин с тоннами раскаленного железа, вращающихся с чудовищной скоростью под действием совершенно непонятных сил, то остается жидкий натрий. У галлия проводимость ниже, да и цена намного больше. Ртуть очень дорогая, ее мало, да и гадость это такая, что и обсуждать не хочется. Натрий тоже порядочная гадость – читайте учебник химии. Температура в 100 ºС – также не подарок, но все же это разумный компромисс.

Эксперименты с жидким металлом очень непростая область экспериментальной физики. Это совсем не то же самое, что писать формулы на компьютере. Тем не менее такая область физики есть. Ее развивают в нескольких странах. Из наших зарубежных коллег хочется назвать ученых Франции, Германии и США – пожалуй, именно в этом порядке.

Совсем особый разговор про этот раздел науки в нашей стране и в сопредельных странах. Советский Союз был одним из признанных лидеров мировой магнитной гидродинамики – так называется область механики жидкостей, в которой важно магнитное поле. СССР был страной плановой экономики. У такой экономики есть достоинства и недостатки. Достоинства мы уже обсуждали – см. раздел про мониторинг солнечной активности. Что касается недостатков, то, если при составлении плана серьезно ошибиться и настаивать на своей ошибке, последствия приходится расхлебывать долго.