Дмитрий Соколов - Небесные магниты. Природа и принципы космического магнетизма [litres]

Значит, пришло время поговорить о нелинейных моделях динамо.

Конечно, все специалисты по динамо понимали, что кинематическая постановка задачи, в которой течения среды считаются заданными, – только первый шаг на пути исследований. Он позволяет говорить о том, что мы в самых общих чертах нащупали решение проблемы. Чтобы по-настоящему описать то, что происходит в конкретных небесных телах, нужно учитывать, как магнитная сила влияет на течения и как в результате этого останавливается экспоненциальный рост магнитного поля. Тогда можно будет говорить о напряженности магнитного поля, которая предсказывается теорией, о детальном сравнении теории и наблюдений и т. п.

Существует два пути для решения этой амбициозной задачи. Можно добавить магнитную силу в уравнения гидродинамики и как можно лучше решать самую полную систему уравнений, которая описывает движения среды и поведение в ней магнитного поля. В такой общей и прямолинейной постановке эта задача очень трудная и в полном объеме недоступная для решения. Трудности самые разные: например, движения среды в галактиках определяются не только хорошо знакомыми нам по лабораторной физике и повседневной жизни факторами, но и не очень понятной темной материей, о природе которой спорят астрофизики и специалисты по физике элементарных частиц. В перспективе просматривается и вопрос о темной энергии. Очень хотелось бы избежать необходимости объяснять не совсем понятное через совершенно неизвестное. Хватает проблем и в физике Солнца. Мы не так хорошо знаем, что именно происходит в его недрах.

Чисто вычислительные, компьютерные трудности решения подобных задач тоже поражают воображение. Тем не менее специалисты по вычислительной физике год от года отвоевывают все новые плацдармы в этой сложной области. Однако главная трудность такого подхода даже не в этом. Действуя таким прямолинейным, силовым методом, часто можно получить правдоподобный ответ, воспроизвести то, что известно из наблюдений. Гораздо труднее понять, почему получается то, что получается. В целом можно сказать, что на новом уровне сложности воспроизводится проблема, которая во второй половине XIX в. привела к разделению физики на экспериментальную и теоретическую. Только вместо лабораторного эксперимента приходится говорить о численном эксперименте.

Что же могут предложить специалисты по теоретической физике для задач нелинейного динамо? Первая мысль, которая приходит тут в голову: не описывать задачу во всех деталях, а опереться на какое-нибудь балансное соображение. Такие соображения берут за основу простые бытовые идеи. Например, я с удовольствием повторил бы достижения П. М. Третьякова и С. И. Щукина и занялся бы коллекционированием живописи. Возможно, у меня даже хватило бы для такого занятия художественного вкуса – чем я, в конце концов, хуже Сергея Ивановича? Останавливает одно обстоятельство: мои финансовые возможности несравненно меньше возможностей этих великих коллекционеров. Примерно та же логика в рассуждениях физиков-теоретиков, предлагающих механизмы подавления различных неустойчивостей.

Второе соображение, на которое опирается здесь теоретик, моему поколению преподавали в печальной памяти курсе истории КПСС. В нем подробно рассказывалось об одной дискуссии в этой партии: В. И. Ленин якобы объяснял Н. И. Бухарину, что нужно ухватиться за слабое звено в цепи и так решить занимавшую их (не помню точно какую) проблему. Избегая общей оценки этой дискуссии и выяснения того, кто из спорщиков был ближе к истине (допустим, как сказал один из них, оба были хуже), подтверждаю, что совет про слабое звено очень хороший.

В задаче динамо такое слабое звено сразу заметно – это все тот же альфа-эффект. Получается очень привлекательная схема: можно практически все в течении оставить таким же, как в кинематической задаче, а подправить только альфа-эффект. Подобный подход называется схемой подавления альфа-эффекта или спиральности (это очень близкие понятия).

Теперь нужно решить, как именно подавлять эту спиральность. Первое, что здесь приходит в голову, – опереться на закон сохранения энергии. Энергия очень похожа на деньги. Больше магнитной энергии, чем было запасено кинетической, сделать, конечно, нельзя. Поэтому, как только магнитная энергия сравнится с кинетической, рост магнитного поля должен остановиться. Больше взять энергии неоткуда.