СОЛНЕЧНАЯ ПЛАЗМА И ЕЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С МАГНИТНЫМИ ПОЛЯМИ

Очевидно, что если в составе газа имеются ионы и электроны, газ перестает быть безразличным к магнитным или электрическим воздействиям на него. Газ в состоянии частичной или полной ионизации настолько специфичен по своим физическим свойствам, что в физике его рассматривают как особое состояние вещества, именуемое плазмой.

Благодаря присутствию большого числа легких, подвижных электронов, плазма отличается высокой электропроводностью (так же, как и теплопроводностью). Например, электропроводность солнечной плазмы близка к электропроводности металлов. При наложении на плазму электрического поля электроны и ионы начинают двигаться в противоположных направлениях. Но движение это несвободно, так как заряженные частицы сталкиваются друг с другом и с нейтральными атомами. Движение заряженных частиц есть не что иное, как электрический ток. Более подвижные электроны рассасываются быстрее, чем ионы, если в каком-либо месте создается повышение плотности их, так что некоторое время может происходить очень небольшая дифференциация зарядов в плазме по знаку, которая, однако, удерживается заметное время только в частично ионизованной плазме. В плазме, полностью ионизованной, прохождение тока сопровождается диссипацией электромагнитной энергии, переходом ее в тепловую, в полном соответствии с выделением так называемого джоулева тепла в проводниках. Но если плазма частично ионизована, то движение всей плазмы относительно нейтрального газа приводит к диссипации неизмеримо более быстрой, особенно в сильных магнитных полях.

В магнитном поле заряженная частица находится под действием силы, перпендикулярной к направлению ее движения и к направлению вектора Н напряженности магнитного поля. В однородном поле частица движется по винтовой линии, навивающейся на магнитную силовую линию. При наличии какой-либо внешней силы, например, силы тяжести или градиента давления (лишь бы она не была направлена вдоль магнитного поля), возникает дрейф частиц, направленный перпендикулярно к магнитному полю и действующей силе.

Дрейф и ток появляются также в плазме с неоднородным магнитным полем. Переменное магнитное поле можно рассматривать как наложение магнитного и электрического полей, что вызывает движение плазмы.

Когда магнитное поле изменяется, оно индуцирует электродвижущую силу, которая, действуя непосредственно на заряженные частицы, порождает токи. Последние совершают работу (в виде механической работы или выделения джоулева тепла). Она численно равна уменьшению значения интеграла взятого по рассматриваемому объему V. Это дает основание рассматривать величину как энергию магнитного поля (в единице объема).

Если в плазме возник ток под действием изменений магнитного поля, то этот ток в свою очередь вызывает магнитное поле (электромагнитная индукция!), которое обязательно действует против действия первичного магнитного поля (правило Ленца).

Обозначим вектор напряженности электрического поля через , а элемент замкнутого контура через . Пусть элемент какой-либо поверхности, опирающейся на этот контур, будет , а нормаль к нему n, так что есть составляющая магнитного вектора по нормали. Из уравнений Максвелла следует, что циркуляция вектора Е по замкнутому контуру пропорциональна скорости изменения магнитного потока Ф через этот контур:

Пусть в космической плазме выделен замкнутый, связанный с частицами плазмы контур, по которому циркулирует ток. При возможных перемещениях плазмы этот контур деформируется, вследствие чего магнитный поток через контур будет изменяться, даже если магнитное поле само не изменяется. Но возникающий ток порождает свое магнитное поле, которое нейтрализует изменение магнитного потока внешнего поля [знак минус в формуле (2.26)]. Если от деформации контура ток будет затухать, самоиндукция его поддержит. Вследствие больших размеров космических образований космические поля затухают чрезвычайно медленно, тем более, что потери на джоулево тепло из-за высокой проводимости незначительны. В результате оказывается, что в космических объектах магнитный поток через любой проводящий контур практически неизменен во времени:

Высказанное положение очень важно для астрофизики, так как оно определяет поведение плазмы в магнитных полях; его называют иногда теоремой о вмороженности магнитных силовых линий в плазму. Будем, как обычно, представлять себе магнитное поле «материализованным» в виде силовых трубок, содержащих пучки силовых линий, тем более густые, чем сильнее напряженность поля.

Наша теорема гласит, что силовая трубка «навеки» связана с теми массами плазменного газа, через которые она проходила в начальный момент — движение газовых масс увлекает за собой магнитные силовые линии.

В соответствии со сказанным выше, при движении плазмы поперек магнитных силовых линий индуцируются токи как раз такие, что вместе с внешним полем образуется новое поле, силовые линии которого следуют за движением среды. Когда плазменный газ сжимается, густота силовых линий возрастает, возрастает и магнитное поле. При расширении газа происходит обратное.

Теория дает такое выражение для силы действующей на единичную площадку, имеющую нормаль n:

Отсюда видно, что вектор складывается из двух: одного, направленного вдоль магнитного вектора Н, в сторону внешней нормали, и другого, направленного против внешней нормали n (знак минус). Первая составляющая направлена вдоль силовых линий и на одну силовую линию потока приходится сила . Она может быть уподоблена силе натяжения упругой струны, стремящейся разорвать рассматриваемый объем. Недействительное значение равно в расчете на 1 см2, поскольку вторая компонента, действующая внутрь, уменьшает первую на .

Составляющую, действующую перпендикулярно к направлению магнитного поля, поперек силовых линий, можно рассматривать как давление с силой , оказываемое на рассматриваемый объем и проявляющее себя при всяком нарушении равномерности распределения магнитных силовых линий.

Если объем движется поперек силовых линий, они оказывают сопротивление этому движению: нельзя беспрепятственно выгибать силовые линии, так как они стремятся выпрямиться.

С другой стороны, если движение плазмы стремится сжать силовые магнитные линии, то давление, действующее перпендикулярно к магнитным силовым линиям, будет препятствовать сжатию.

Насколько эффективно будет действие магнитного поля на плазму, которая, кроме всего прочего, должна подчиняться обычным газовым законам? Теория отвечает на этот вопрос так: пока магнитная энергиярассчитанная на единицу объема, меньше или равна кинетической энергии газа — плазмы (р — плотность, a v — средняя гидродинамическая скорость газовых масс), она не в состоянии нарушить обычных законов газовой динамики. Но если , то плазма подчиняется законам движения в магнитном поле и прежде всего теряет свою подвижность в направлении, перпендикулярном к магнитным силовым линиям. Плазма в этих условиях движется только вдоль магнитных силовых линий, так как это не вызывает сил, сопротивляющихся движению.

При сложном перемешивании газовых плазменных масс магнитные силовые линии, вмороженные в них, сильно запутываются, вытягиваются, их плотность возрастает, что означает возрастание напряженности поля. Достигнув большого напряжения, магнитное поле будет эффективно препятствовать таким движениям плазмы, которые ведут к дальнейшему запутыванию магнитных силовых линий. Наоборот, натяжение последних и поперечное давление их будут способствовать тем движениям плазмы, которые распутывают поле, т. е. уменьшают напряженность его.

Затуханию поля также способствует затухание мелкомасштабных движений и их диссипация.

Нарушения плотности газа приводят к колебаниям, которые распространяются в газе в форме упругих звуковых волн. Так как магнитные силовые линии в плазме имеют натяжение, они могут стать носителем своеобразных поперечных колебаний, которые распространяются в плазме в форме магнитогидродинамических волн; иначе их называют альвеновскими волнами (они были открыты Альвеном).

В однородном магнитном поле скорость распространения альвеновской волны где р — плотность вещества плазмы. Отсюда следует: — условие, естественное в данном случае (см. выше). Скорость звука в газе определяется условием — универсальная газовая постоянная, равная слабо ионизованного одноатомного газа с преимущественным содержанием водорода , так что скорость звука в фотосфере достигает почти 10 км/с. В то же время скорость лишь при очень большой разреженности вещества или при очень сильных магнитных полях может достигнуть значения звуковой скорости или превзойти ее. Сами возмущения плазмы, если они происходят в результате первоначального сдвига поперек силовых линий со скоростью , при малом могут вызвать волны с очень большой амплитудой колебаний магнитного напряжения, что существенным образом изменяет первоначальное магнитное поле.

Когда волны попадают из среды с большей плотностью в среду с меньшей плотностью, скорость колебания плазмы в альвеновских волнах может превзойти звуковую скорость в новой среде, и тогда они превращаются в ударные волны с очень большой диссипацией. Однако со звуковыми волнами это происходит еще легче, поэтому в солнечной атмосфере альвеновские магнитогидродинамические волны встречаются довольно часто. Но такие волны при встрече с неоднородностями или с препятствиями легко превращаются в третий тип волн — в магнитозвуковые, в которых движение зависит и от магнитных, и от упругих сил. Колебания вещества происходят при этом в плоскости, содержащей направление распространения и направление постоянной составляющей магнитного напряжения.