МАГНИТНАЯ ГИДРОДИНАМИКА:
ОТ ГАЛАКТИК ДО ПРОБЛЕМ МЕТАЛЛУРГИИ
Доктор физико-математических наук Петр ФРИК, заведующий лабораторией физической гидродинамики Института механики сплошных сред УрО РАН (Пермь)
С приездом в Пермь в 1972 г. академика АН Латвийской ССР Игоря Кирко к спектру проводимых здесь исследований добавилась магнитная гидродинамика (МГД) — раздел механики, изучающий течения электропроводных жидкостей и их взаимодействия с магнитными полями. Сегодня лаборатория физической гидродинамики Института механики сплошных сред УрО РАН остается едва ли не единственным научным подразделением в России, ведущим теоретические и экспериментальные работы практически по всем проблемам в этой области знания — от галактических магнитных полей, магнетизма звезд и планет до прикладных задач, связанных с формированием и контролем потоков жидких металлов в условиях производства.
РОЖДЕНИЕ НОВОЙ НАУКИ
Когда речь заходит о магнитной гидродинамике, неспециалисту может показаться, что имеется в виду круг явлений, не имеющих прямого отношения к жизни человека и окружающему его миру. Однако это не так. Природные магнитные поля не только присутствуют во многих космических объектах — от планет и звезд до пульсаров и галактик, но и в зна-
чительной мере определяют их эволюцию. И если магнитные поля галактик, квазаров, аккреционных дисков, нейтронных звезд будоражат умы относительно небольшого круга ученых-астрофизиков и астрономов-любителей, то аналогичные поля Солнца и Земли оказывают прямое воздействие на жизнь человечества. Магнитное поле Солнца, в значительной мере ответственное за вспышки, приводящие к бом-
Галактика М31 (Туманность Андромеды), как и многие другие, имеет собственное магнитное поле, возникновение которого возможно только благодаря эффекту МГД-динамо.
бардировке нашей планеты потоками частиц, следует одиннадцатилетнему циклу активности, меняя свое направление на противоположное каждый раз по его завершении. А вот магнитное поле Земли, защищающее ее от опасных космических частиц, кажется нам постоянным, не меняющимся. В действительности это не так и в его проявлениях много загадочного. Как полагают специалисты, за всю историю существования планеты ее магнитное поле «переворачивалось» несколько сотен раз. Моменты этих «перебросов» следуют один за другим нерегулярным образом, а длительность промежутков между ними варьирует от 10 тыс. до 100 млн лет. Во время переполюсовки, которая может длиться столетия, поле практически пропадает (а значит, исчезает и «щит»), и предсказать их на сегодняшний день невозможно.
Факты, конечно, любопытные, скажет читатель, но при чем здесь гидродинамика и проводящие жидкости? Дело в том, что магнитные поля и светила, и нашей планеты создаются потоками проводящей жидкости: в Земле это жидкий металл во внешнем ядре, на Солнце — плазма в конвективной оболочке. Интересно, что именно проблема происхождения космических полей явилась важнейшим стимулом для развития магнитной гидродинамики. Первой загадкой стало магнитное поле Солнца, для объяснения природы которого ирландский физик и математик, профессор Университета Кембриджа Джозеф Лар-мор в 1919 г. впервые высказал гипотезу о возможности его генерации движущейся проводящей плазмой в конвективной оболочке звезды.
Долгое время предполагалось, что межзвездная среда представляет собой вакуум. И действительно, плотность вещества в ней составляет всего от 0,1 до 1000 атомов на кубический сантиметр. В 1937 г., когда пионер исследований в области теории МГД шведский ученый, специалист по физике плазмы Ханнес Альфвен впервые высказал гипотезу о том, что межзвездная среда заполнена ионизированным газом, научное сообщество ее не восприняло. Он предположил: если плазма заполняет Вселенную, то она способна проводить электрические токи, а они рождают галактическое магнитное поле, влияющее в свою очередь на прохождение космических лучей. Позднее эти идеи были подтверждены и сейчас являются общепризнанными. Ханнесу Альфвену принадлежит ряд других открытий и гипотез, которые легли в основу новой науки — магнитной гидродинамики: открытие нового типа волнового движения проводящей среды в магнитном поле (впоследствии названо волнами Альфвена), попытки объяснения образования протуберанцев, солнечных пятен, магнитных бурь, полярных сияний. В 1970 г. ученый был удостоен Нобелевской премии, а в 1971-м АН СССР отметила его заслуги своей высшей наградой — Большой золотой медалью им. М.В. Ломоносова.
Примерно в одно время с появлением идей Ханне-са Альфвена Юлиус Гартман (Дания) провел первые экспериментальные работы по МГД — исследование сопротивления течения ртути в трубке при воздействии поперечного магнитного поля.
Одним из основоположников магнитной гидродинамики в Советском Союзе, создателем Рижской и Пермской научных школ, основателем журнала «Магнитная гидродинамика» стал упоминавшийся академик АН Латвийской ССР Игорь Кирко. Он руководил лабораторией физической гидродинамики нашего института с 1972 по 1986 г. и сыграл значительную роль в выборе решаемого ею круга задач.
МГД-ДИНАМО
Процесс генерации магнитного поля течениями проводящей жидкости (газа) получил название МГД-динамо. Эта научная проблема, сформулированная почти век назад, остается одной из наиболее интригующих в современной фундаментальной науке, прежде всего в гидродинамике и астрофизике. Первая самосогласованная модель, описывающая природу солнечного динамо, была предложена американским астрофизиком Юджином Паркером в 1955 г. В последующее десятилетие был сделан ряд принципиальных для понимания процесса динамо шагов. Не перечисляя всех важных результатов этого периода, отметим знаменитую «восьмерку Зельдовича*», продемонстрированную Яковом Борисовичем на одной из конференций с помощью ремня, позаимствованного у одного из ее участников, — объяснил «на пальцах», как поток жидкости может трансформировать
*Яков Зельдович — советский физик, академик с 1958 г., один из создателей атомной и водородной бомб в СССР (прим. ред.).
Поляризованное радиоизлучение галактики М31, свидетельствующее о существовании у нее регулярного магнитного поля.
магнитную петлю, чтобы усилить магнитный поток. Нельзя не упомянуть и работу немецких физиков Макса Штеенбека, Фридриха Краузе и Карла-Хайнца Редлера, показавших, что ключевую проблему динамо — положительной обратной связи в уравнении индукции — можно решить на уровне мелкомасштабной турбулентности (требуемая электродвижущая сила создается не упорядоченным движением жидкости, а коллективным воздействием хаотически движущихся мелкомасштабных вихрей). Именно после этих работ началось бурное развитие теории МГД-динамо, но до исчерпывающего понимания этого чрезвычайно сложного нелинейного явления еще очень далеко. Поскольку выполнить полное математическое моделирование МГД-динамо на сегодняшний день невозможно (требуется учет взаимодействий на различных масштабах, что приводит к гигантскому времени счета даже при использовании суперкомпьютеров), а космические наблюдения ограничены, то надежда возлагается на лабораторный эксперимент.
С экспериментами также все обстоит непросто. Известно совсем немного течений (и все они имеют достаточно сложную структуру), способных обеспечить работу динамо, и в каждом из этих случаев динамо-эффект может возникнуть лишь при достижении определенных «пороговых» режимов. Реальные значения критических параметров таковы, что искомое явление способно «родиться» только в больших объемах жидкости при ее достаточно быстром движении и хорошей электрической проводимости. Меньшую проводимость можно компенсировать еще большими размерами или скоростями.
В космических масштабах размеры и скорости настолько велики, что динамо работает даже при очень слабой проводимости среды. А вот в лаборатории выйти на режим динамо сложно. Наиболее подходящий материал для этих экспериментов — жидкий натрий, материал опасный, но с двумя большими преимуществами: хорошо проводит электрический ток и очень легкий — плотность и вязкость, как у воды. Для того чтобы достичь критических параметров, нужно добиться размеров потока порядка метра и скорости
примерно 10 м/сек. В созданных на сегодня установках прокачивают тонны жидкого натрия с близкими к указанной скоростями, что обусловливает большую стоимость таких устройств и огромную потребляемую ими энергию. Но перечисленных условий недостаточно — для возникновения динамо требуется движение особого вида: жидкость должна двигаться по винтовым траекториям.
Лабораторные динамо-эксперименты долгое время оставались мечтой специалистов, хотя первая попытка их реализовать была предпринята еще в 1980-х годах исследователями из Института физики АН ЛатвССР (Рига) и НИИ электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова (Ленинград). Попытка закончилась неудачей: лабораторная установка разрушилась при приближении к искомым режимам. В конце 1990-х годов начался новый виток экспериментальных исследований по всему миру. Двум конкурирующим большим командам в лабораториях Риги и Карлсруэ (Германия) с интервалом буквально в один месяц удалось достичь эффекта МГД-динамо. С тех пор прошло почти полтора десятка лет. Но несмотря на упорную работу ряда научных коллективов, за все эти годы появился лишь один новый пример генерации крупномасштабного магнитного поля движущимся жидким металлом: удачный эксперимент был проведен в г. Кадараш (Франция). Однако не все специалисты оценивают его однозначно, так как динамо в нем получено только после введения в поток твердых магнитных частиц — ферромагнитных деталей. Строго говоря, ученым пока не удалось создать прямой аналог природных динамо, поскольку во всех трех указанных экспериментах важную роль играли твердые металлические детали (электропроводящие стенки — в рижской установке, направляющие трубы сложной формы — в Карлсруэ, ферромагнитные детали — в Кадараше), что, однако, нисколько не умаляет результаты этих опытов в развитии магнитной термодинамики.
Лаборатория физической гидродинамики Института механики сплошных сред УрО РАН около пятнадцати лет назад решила поучаствовать в «миро
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.