Космическая магнитогидродинамика

Историю возникновения данного направления исследований относят к работам середины XX века — 1940—1950-м годам^[2]. Основы космической магнитогидродинамики были заложены шведским физиком, специалистом по физике плазмы Ханнесом Альфвеном^[3].

К явлениям, изучаемым в рамках данного раздела астрофизики, относится, в частности, геомагнетизм (земной магнетизм): в недрах Земли происходят электромагнитные процессы, создающие магнитное поле Земли. В пределах области размером ~ 10 земных радиусов это поле образует магнитосферу нашей планеты. Состояние магнитосферы зависит в том числе от электромагнитного поля солнечного ветра, которое, в свою очередь, определяется солнечной активностью — совокупностью электромагнитных явлений, происходяших на Солнце^[3].

Космическая магнитогидродинамика рассматривает космическую плазму 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^[3].

Одной из важных задач данного научного направления является решение вопроса о происхождении и усилении поля: при определённых обстоятельствах движение газа может привести к усилению начального слабого поля (динамо-эффект). Это начальное поле, в свою очередь, может быть создано диффузией электронов, возникающей под действием флуктуаций плотности и температуры, или трением электронов о фотонный газ реликтового излучения^[2].

Одно из важнейших явлений, вызывающих интерес у специалистов в данной области, связано с нарушением вмороженности в тех точках пространства, где магнитное поле обращается в нуль. В присутствии электрического поля в данном случае происходит разрыв линий магнитного поля и их соединение таким способом, который обеспечивает перераспределение магнитных потоков. С этим эффектом, называемым магнитным пересоединением, связано накопление энергии магнитного поля перед солнечной вспышкой и её превращение в кинетическую энергию частиц во время вспышки^[3].

В многочисленных приложениях космической магнитогидродинамики широко используются методы магнитной гидродинамики^[4]. Отличительной особенностью космической магнитогидродинамики является исследование огромных объёмов плазмы, определяемых гигантскими размерами астрономических объектов. Время диссипации электрических токов в этих условиях значительно превышает характерное время движения плазмы в астрономических объектах (например, период вращения Солнца), а довольно часто также характерное время их эволюции. Это позволяет пренебречь затуханием магнитного поля в космической плазме и рассматривать её как идеальную среду, движущуюся вместе с магнитным полем^[3].

Космическая магнитогидродинамика является разделом астрофизики, к которым также относится астроспектроскопия, наблюдательная и теоретическая астрофизика и другие направления исследований^[1].

Космическая магнитогидродинамика является частью плазменной астрофизики — науки, которая использует методы физики плазмы для интерпретации астрофизических явлений. Помимо гидродинамических плазменная астрофизика учитывает кинетические эффекты, характерные для разреженной высокотемпературной плазмы, и поэтому имеет более широкую область применимости, чем космическая магнитогидродинамика. Например, позволяет объяснить ускорение заряженных частиц до высоких энергий в областях магнитного пересоединения во время вспышек на Солнце, в коронах других звёзд и аккреционных дисков, а также в релятивистских космических объектах (нейтронных звёздах, чёрных дырах)^[3].

Институт механики сплошных сред (Пермь) Уральского отделения Российской академии наук остаётся едва ли не единственным научным подразделением в России, ведущим теоретические и экспериментальные работы практически по всем проблемам в области магнитной гидродинамики — от галактических магнитных полей, магнетизма звёзд и планет до прикладных задач, связанных с формированием и контролем потоков жидких металлов в условиях производства^[5].

Магнитогидродинамическая волна (МГД-волна) — квазипериодическое возмущение в плазме (например, солнечного ветра) в межпланетном магнитном поле с частотой, меньшей гироскопической частоты ионов^[6].