Космическая магнитогидроди­намика

КОСМИЧЕСКАЯ МАГНИТОГИДРОДИНАМИКА, раздел астрофизики, изучающий динамику течений проводящих жидкостей и ионизованных газов (плазмы) в магнитном поле в космических условиях. Основы космической магнитогидродинамики заложены в 1950-х годах Х. Альвеном.

К явлениям, изучаемым космической магнитогидродинамикой, относится, в частности, земной магнетизм: в недрах Земли происходят электромагнитные процессы, создающие магнитное поле нашей планеты. В пределах области размером около 10 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.

Космическая  магнитогидродинамика рассматривает плазму в космосе 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 магнитной гидродинамики. Отличительной особенностью космической магнитогидродинамики является исследование огромных объёмов плазмы, определяемых гигантскими размерами астрономических объектов (например, звёзд). 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 («вмороженных» 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 хаотические течения растягивают, изгибают и скручивают линии магнитного поля, придавая им сложную форму. Это может привести к усилению магнитного поля (так называемый динамо-эффект), что наблюдается, например, внутри Солнца. Напротив, сильное магнитное поле, изменяясь во времени, само приводит в движение плазму, например 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 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 километров в секунду.

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 иным способом. С этим эффектом, называемым магнитным пересоединением (пересоединением магнитных силовых линий), связано накопление энергии магнитного поля перед солнечной вспышкой и её освобождение во время вспышки.

Космическая  магнитогидродинамика является частью так называемой плазменной астрофизики - науки, которая использует методы физики плазмы для интерпретации астрофизических явлений. Плазменная астрофизика учитывает кинетические эффекты, характерные для высокотемпературной плазмы, и поэтому имеет более широкую, чем космическая магнитогидродинамика, область применимости. Например, 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 космических объектах (нейтронных звёздах, чёрных дырах).

Лит.: Альвен Х., Фельтхаммар К.-Г. Космическая электродинамика. 2-е изд. М., 1967; Сомов В. В. Космическая электродинамика и физика Солнца. М., 1993; Somov В. V. Plasma astrophysics. N.Y., 2006. Vol. 1-2.