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

Хорошо, что благодаря сейсмологии мы знаем о существовании всех этих оболочек, но данные этой науки позволяют узнать совсем не все, что нам интересно. Например, в моделях геодинамо обычно считается, что раздел между внешним ядром и мантией представляет собой идеальную сферу, – нужно же предположить что-нибудь, а при полном отсутствии информации не хочется выдумывать сложные предположения. Эта идея оказывается важной, от нее многое зависит. С одной стороны, мы сами живем на разделе между земной корой и атмосферой и отлично знаем, что он, мягко говоря, не похож на идеальную сферу пренебрежимо малой толщины. С другой стороны, давление и температура на границе между мантией и внешним ядром гораздо больше, чем на поверхности Земли. Вполне вероятно, что они действительно сглаживают все неровности. С третьей стороны, в недрах Земли много всяких разделов. В конце прошлого столетия люди научились технике сверхглубокого бурения, и теперь самые глубокие скважины достигают первого из таких разделов, а одна из них – Кольская сверхглубокая – дело рук отечественных геологов и инженеров. Благодаря этим скважинам люди узнали много нового о строении самого неглубокого из разделов. Оказалось, что до этого мы очень приблизительно представляли себе его свойства и строение. И нет оснований сомневаться, что свойства раздела между внешним ядром и мантией мы тоже представляем себе очень приблизительно.

В такой ситуации не остается ничего другого, кроме одновременного построения как модели эволюции геомагнитного поля, так и модели гидродинамических течений во внешнем ядре Земли. Слов нет, этот вынужденный выбор очень затрудняет построение простой и понятной модели геодинамо.

Есть и другое, более фундаментальное различие между задачами солнечного динамо и геодинамо. Насколько известно, магнитное число Рейнольдса во внешнем ядре Земли большое, но не такое гигантское, как на Солнце. Оно несколько больше магнитного числа Рейнольдса, достижимого в лабораторных условиях, но этот зазор не так уж велик – ну, раз в десять.

Зато Земля – чрезвычайно быстро вращающееся небесное тело. Она вращается несравненно быстрее Солнца, не говоря уж о галактиках. В самом деле, за время своего существования (это время сопоставимо с возрастом Вселенной) галактики совершают десятки, может быть, сотни оборотов вокруг своего центра. Солнце совершает один оборот вокруг своей оси примерно за 26 дней. Поскольку вращение Солнца дифференциальное, для более точной оценки требуется указать, о какой именно части Солнца мы говорим. Многие знают, что Земля совершает один оборот вокруг своей оси за сутки. Контраст между этими величинами станет еще заметнее, если мы вспомним, что характерное время изменения магнитного поля на Солнце – длина солнечного цикла – составляет 11 лет, а на Земле время между инверсиями магнитного поля занимает никак не меньше десятков тысяч лет.

Именно из-за чрезвычайно высокой скорости вращения Земли в задачах геодинамо главная трудность связана с описанием самого течения, а не магнитного поля, хотя его описывать тоже трудно. Не возникает сомнений, что магнитное поле может сильно изменить важные для геодинамо свойства течения. Задача становится сильно нелинейной. Схемы, связанные с подавлением спиральности в геодинамо, могут дать лишь самое грубое представление о том, что происходит при генерации магнитного поля.

Тем не менее прямое детальное численное моделирование хорошо воспроизводит основные черты шкалы геомагнитной полярности. Видимо, эти модели уже улавливают главные характеристики того, что происходит в глубинах Земли, хотя остается огромный простор для работы будущих поколений.

Мы поговорили о том, как возникают и эволюционируют магнитные поля в галактиках, на Солнце и на Земле. Конечно, специалисты по теории динамо занимаются и магнитными полями других звезд и планет. В этих задачах есть много интересного и необычного, хотя они в той или иной степени вырастают из тематики солнечного динамо и геодинамо. Очевидно, что про другие планеты мы знаем меньше, чем про Землю, а про другие звезды – меньше, чем про Солнце. Не нужно особой проницательности, чтобы понять, что и открытых вопросов, и неопределенностей в задачах планетарных и звездных динамо больше, чем в геодинамо и в солнечном динамо. Есть, безусловно, и достижения. О некоторых очень мало разработанных страницах в космическом магнетизме тоже стоит сейчас рассказать, хотя бы кратко.