Жидкий магнит: смешать, но не взбалтывать
Известно, что Земля, Солнце и другие астрономические тела генерируют магнитное поле, благодаря вихревым движениям внутренних жидкостей, проводящих электричество. Ранее считалось, что для такого магнетизма, в этих жидкостях должно существовать множество турбулентных потоков, однако в своей последней работе ученые из США показали, что это не обязательное условие. Они продемонстрировали генерацию магнетизма в жидкости, практически не содержащей турбулентности, с помощью вращающегося резервуара с жидким натрием. Их работа сообщает о восьмикратном увеличении «затравочного» поля, но пока они не могут продемонстрировать самоподдерживающегося явления. Данная работа может быть полезна для лучшего понимания механизма возникновения магнитных бурь вокруг звезд и планет.
В последнее время ученые преуспели в создании в лабораторных условиях магнитного поля при помощи так называемой жидкостной динамо-машины. Как и их астрономические аналоги, подобные системы базируются на вращении электропроводящей жидкости (обычно натрия, т.к. он имеет достаточно высокую проводимость). Малое начальное магнитное поле прикладывается к вращающемуся контейнеру, в результате появляется небольшой электрический ток. При этом положительная обратная связь приводит к экспоненциальному росту поля (если поток соответствует всем требованиям). Вместо того чтобы описывать сложные взаимодействия поля и токов, исследователи обычно описывают усиление первоначального «затравочного» поля, наблюдаемое на эксперименте, как процесс увеличения и сворачивания линий магнитного поля, которые определяются жидкостью.
Самые первые образцы подобной жидкостной динамо-машины направляли потоки по предопределенной схеме. Позже ученые перешли к использованию контейнера (со свободными потоками, направляемыми специальными устройствами). В 2007 было объявлено о создании первой жидкостной динамо-машины, которой было достаточно обычной турбулентности для поддержания положительной обратной связи. Некоторые, однако, не согласились с подобной интерпретацией; главным аргументом против стал тот факт, что турбулентность – процесс случайный. Некоторые из потоков действительно обеспечат положительную обратную связь, другие же – ухудшат результат. Кроме того, в природе турбулентность может подавляться за счет вязкого трения.
Опираясь на подобные соображения, группа ученых из Los Alamos National Laboratory (США) постаралась «вывести из игры» сам факт турбулентности. Их цель заключалась в создании равномерного когерентного потока жидкого натрия. При этом жидкость размещалась внутри кольцеобразного контейнера глубиной 30 см (внутренний радиус контейнера был в 2 раза меньше внешнего радиуса). Поток на эксперименте создавался при помощи вращающихся цилиндрических стенок контейнера, а также с помощью винтов. Внутренняя стенка контейнера совершала 68 оборотов в секунду, а внешняя двигалась на 1/4 быстрее. Ученые считают, что созданный равномерный поток аналогичен жидкостной динамо-машине в молодых звездах и вокруг черных дыр.
В качестве «затравочного» к экспериментальной установке прикладывалось поле в 12 Гауссов, силовые линии которого были направлены внутрь контейнера. Как и ожидалось, благодаря эффекту Омеги было сформировано магнитное поле в направлении потока, в восемь раз превышающее первоначальное «затравочное».
К сожалению, эффекта Омеги не достаточно для создания самоподдерживающейся системы. Чтобы сформировать такую динамо-машину, необходимо часть силовых линий «загнуть» обратно в направлении центра контейнера. Это может быть сделано при помощи так называемого альфа-эффекта. Традиционно его связывают с турбулентными потоками, но команда уверена, что сможет найти решение проблемы.
Значительным результатом эксперимента стало то, что ламинарные потоки, как оказалось, также могут быть источником крупномасштабных полей. В будущем данная работа поможет лучше понять механизм возникновения и изменения магнитных полей крупных астрономических тел.
