Динамика плазмы

Звезда, дающая нам жизнь, наше Солнце, все еще полно загадок. И вместе с тем трудами астрофизиков все больше выясняется конкретных механизмов солнечной активности, все более понятным становится, что и как именно происходит в этом гигантском термоядерном реакторе. Один из примеров — объяснение механизма солнечных вспышек, грозного явления, привлекающего пристальное внимание физиков, астрономов, энергетиков, метеорологов, биологов, медиков, специалистов в области космонавтики. Используя богатейшие материалы астрофизических наблюдений, теоретики разработали модели солнечной вспышки, где главные действующие лица — это магнитные сгустки, выплывающие из недр Солнца, плазма солнечной атмосферы, пронизанная магнитными полями и гигантской силы электрические токи, которые при изменении магнитного поля наводятся в плазме, как и в любом проводнике, в полном соответствии с правилом правой руки.

Динамика плазмы в сильных магнитных полях — лишь в последние десятилетия. Интерес к плазме появился

[smszamok]

сначала в основном в связи с задачами физики Солнца и астрофизики, а затем — и очень интенсивно— в связи с исследованиями по проблеме управляемого термоядерного синтеза. В этих исследованиях плазма в сильных магнитных полях как раз и является основным объектом изучения. Любопытно, что и в этой области, как и в астрофизике, в последнее время стала выясняться важная роль процессов так называемого «лересоединения», которые играют фундаментальную роль для солнечных вспышек и о которых пойдет речь ниже.

И вот еще что — солнечные вспышки имеют принципиальное значение для астрофизики как наиболее близкий и доступный для исследования пример генерации нетепловых частиц, радиоволн, рентгеновских и гамма-лучей во Вселенной.

Более того, процессы типа солнечных вспышек происходят также в магнитосфере Земли (здесь с ними связано известное явление полярных сияний) и в магнитосферах других планет, например, Юпитера. Наконец, эти процессы существенны также в некоторых лабораторных экспериментах и установках с сильными разрядами в магнитном поле. Таким образом, изучение солнечных вспышек очень важно не только для астрофизики, но и для физики плазмы вообще.

Исследование солнечных вспышек имеет и прямое практическое значение. Уже давно известно, что вспышки на Солнце оказывают сильное воздействие на ионосферу, вызывая нарушения радиосвязи, работы радионавигационных устройств и другой техники, связанной с радиоволнами. В последние десятилетия в связи с пилотируемыми космическими полетами возникла очень серьезная задача защиты экипажей космических кораблей от ионизующего излучения вспышек и заблаговременного предупреждения о возможной радиационной опасности. Имеются данные о влиянии вспышек на погоду. Как уже отмечалось, непосредственное энергетическое воздействие вспышек на земную атмосферу относительно невелико. Однако большой поток ультрафиолетового и рентгеновского излучения от вспышек, значительно превышающий поток от спокойного Солнца, может изменять состояние верхней атмосферы и соответственно характер переноса главных потоков тепла в атмосфере. Эти вопросы стали сейчас предметом серьезного изучения. Наконец, имеются свидетельства влияния вспышечной активности Солнца на биосферу. Так, в частности, ряд исследователей, по данным массовых клинических наблюдений, устанавливают связь между вспышками и ходом сердечнососудистых и других заболеваний.

Что же мы знаем о солнечных вспышках? Что известно о природе этого явления?

Прежде всего, заметим, что результаты наблюдений вспышек публикуются в научных журналах уже более ста лет, начиная с первой документально зарегистрированной вспышки 1 сентября 1859 года. Уже несколько десятилетий наблюдения за солнечными вспышками ведутся на регулярной основе многими обсерваториями мира. За это время накоплен огромный материал, и были высказаны и серьезно обсуждались в литературе самые разнообразные гипотезы происхождения вспышек. В их числе были и такие, как удар больших масс вещества о поверхность Солнца или термоядерные взрывы непосредственно на этой поверхности.

Трудность выбора наиболее правдоподобной гипотезы была в основном связана с тем, что наблюдения, хотя и весьма многочисленные, были очень ограниченными по своему характеру: все они велись в оптическом диапазоне спектра. В то же время, как показали уже первые внеатмосферные наблюдения на спутниках и ракетах, при солнечной вспышке оптическое излучение, скорее всего, возникает как вторичный эффект, причем, как правило, вдали от сердцевины вспышки. Непосредственно в этой сердцевине возникает рентгеновское излучение, которое нельзя наблюдать с Земли из-за его сильного поглощения в атмосфере.

И все же многие годы оптических наблюдений нельзя считать затраченными впустую. Благодаря им были установлены закономерности развития вспышек в хромосфере, их связь с активными областями и, что особенно важно для понимания механизма вспышек, тесная связь вспышек с магнитными полями на поверхности Солнца. Именно измерения магнитного поля, а они ведутся в процессе наблюдения линий оптического спектра, показали, что вспышки возникают там и только там, где имеется достаточно сильное магнитное поле. Более того, детальные наблюдения магнитных полей, выполненные в Крымской астрофизической обсерватории, выявили в атмосфере Солнца в области вспышки электрические токи огромной силы — в сотни миллиардов ампер.

Связь вспышек с магнитными полями и токами в солнечной атмосфере и дает ключ к пониманию этого явления. Но прежде, чем говорить об этом конкретно, нужно хотя бы кратко остановиться на поведении магнитного поля в хорошо проводящей электричество подвижной среде, какой является высокоионизованная плазма солнечной атмосферы.

Как известно еще со времен Фарадея, изменяющееся магнитное поле наводит электрический ток в проводниках, которые находятся в этом поле,— на этом эффекте основано действие машинных генераторов тока. С другой стороны, на проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует сила, которая стремится привести проводник в движение — этот эффект используется в электродвигателях. Если же проводником является жидкость, плазма или газ, заполняющие большой объем и пронизанные полем, то оба эффекта осуществляются одновременно: изменения магнитного поля возбуждают в такой среде электрические токи.

До сих пор мы говорили о магнитном поле пятен, полностью пренебрегая тем обстоятельством, что атмосфера Солнца представляет собой очень хорошо проводящую плазму. Если считать, что плазма — идеальный проводник, что ее электрическое сопротивление равно нулю, то нетрудно выяснить характер взаимодействия старого и нового полей. Именно в силу уже известного нам свойства вмороженности поля каждая силовая линия остается связанной с одними и теми же частицами плазмы, и мы можем непрерывно следить за перемещением и деформацией поля. В частности, если какая-то силовая линия вначале соединяла два определенных магнитных пятна, то при любых перемещениях плазмы и пятен она будет соединять те же самые пятна. Иначе пришлось бы допустить «перескок» магнитных силовых линий от одного пятна на другое, например, с южного полюса нового «магнита» на южный полюс старого «магнита», а это противоречит условию вмороженности поля.

Вместо нулевой линии появится граница раздела этих двух полей — поверхность, на которой происходит переход от нового поля к старому. Как показывает теория, эта поверхность имеет первостепенное значение для развития вспышек.

[/smszamok]

Старое и новое магнитные поля независимы и поэтому практически всегда по-разному направлены — в нашем примере они противоположны друг другу на границе раздела. Следовательно, на поверхности раздела старого и нового полей происходит быстрое изменение, как говорят, «скачок» величины и направления магнитного поля. Токовые слои в атмосфере Солнца как раз и являются причиной солнечных вспышек, причем вспышки появляются именно в области токовых слоев. Прежде чем перейти непосредственно к конкретному механизму появления солнечных вспышек, скажем еще несколько слов об их первопричине, о токовых слоях.