Гидродинамическая спиральность

Сохранить в закладки
6677
4
Сохранить в закладки

Физик Кит Моффат о вихревой динамике, спиральном эффекте и магнитном поле Земли

В чем заключается теория вихревых атомов? Каким образом можно получить спиральный эффект? Как ненулевая спиральность влияет на магнитные поля? Об этом рассказывает профессор Кембриджского университета Кит Моффат.

Сейчас хорошо известно, что если взять жидкость, находящуюся в турбулентном движении, — такую, что ее усредненная по всему потоку спиральность будет ненулевой, то среда будет неустойчива к росту магнитного поля на больших пространственных масштабах, при условии что размеры той области, которую занимает жидкость, будут достаточно большие. Когда мы говорим «достаточно большие», мы имеем в виду астрофизические масштабы: так, межзвездная среда достаточно велика. Это же относится и к планетарным масштабам: жидкое ядро в центре Земли достаточно велико для применимости этой теории. И теперь мы знаем, что, например, магнитное поле Земли обусловлено комбинацией эффектов в жидком ядре, один из которых связан с вращением (эффект Кориолиса) — опять же стандартный и очень хорошо понятный эффект. Но второй ключевой эффект связан со спиральностью случайных движений, обусловленных термической или композиционной конвекцией в ядре. В ядре спиральность не равна нулю, и это вызывает эффект, который теперь известен как альфа-эффект. Комбинация этих двух эффектов — альфа-эффекта и дифференциального вращения — создает магнитное поле Земли, а также может являться причиной переполюсовки, инверсии магнитного поля Земли — это одно из наиболее важных наблюдений, которое теоретики должны попытаться объяснить.

Спиральность интересна еще потому, что она не является скалярной величиной, как энергия; спиральность — псевдоскалярная величина. Если мы поменяем систему координат от правосторонней к левосторонней, то спиральность поменяет знак. Таким образом, псевдоскалярная величина — это величина, которая не обладает зеркальной симметрией. Стало быть, нам необходимо это отсутствие зеркальной симметрии в потоке, чтобы получить спиральный эффект. Мы получаем его всякий раз, когда имеем направленную вверх конвекцию в сочетании с вращением, что обеспечивает, например, правостороннее кручение. Правостороннее вращение в северной полусфере, левостороннее — в южной, и этого достаточно: обе области достаточно велики для возникновения неустойчивости магнитного динамо. Это один из важнейших случаев, когда ненулевая спиральность играет решающую роль, и это касается не только магнитного поля Земли, но и звездного и галактического магнитных полей. Куда бы вы ни посмотрели, везде есть магнитные поля, и спиральность фонового турбулентного потока играет важную роль в этом феномене.

Эта тема получила мощный импульс буквально в этом году. Этому послужил еще один красивый эксперимент, проведенный в Чикаго Уильямом Ирвином и его студентом Дастином Клекнером, которые впервые создали завязанный вихрь в воде. Его можно увидеть: видео доступно в сети. Это очень красивый эксперимент: вихрь визуализируется в воде с помощью пузырьков, которые притягиваются к ядру вихря, где давление минимально, что позволяет увидеть завязанный вихрь. Он очень нестабилен, и это одна из причин, по которой вихревая теория атомов Кельвина в действительности не получила развития. Эти завязанные вихри, как мы знаем теперь, могут быть созданы искусственно, но они всегда будут нестабильными. Если бы Кельвин выразил свою теорию в терминах трубок магнитного потока, а не вихрей, он, возможно, добился бы большего успеха, потому что завязанная трубка магнитного потока в токопроводящей жидкости может ослабляться до минимального энергетического уровня, который является стабильным, и сохраняет свою завязанную структуру. Но аналогичное распределение вихрей чудовищно нестабильно, и эта неустойчивость зафиксирована экспериментом Ирвина и Клекнера. Мы по-прежнему должны — и это нерешенная задача — понять природу этой неустойчивости, в частности то, каким образом ирвиновский трилистный вихрь изменяется. Он разъединяется, узел разделяется на два вихревых кольца, и такой процесс, как пересоединение вихрей, участвует в этом. И это задача будущего — полностью понять природу такого процесса пересоединения.

Над материалом работали

Читайте также

Внеси свой вклад в дело просвещения!
visa
master-card
illustration