Кіріспе

Аспан денелерінің магнит өрісін қалай тудыратынының механизмі. Планетаның магнит өрісінің пайда болуына қатысты ұсынылған теория. Физикада динамо теориясы Жер немесе жұлдыз сияқты аспан денелерінің магнит өрісін қалай тудыратынын түсіндіреді. Динамо теориясы айналмалы, конвекциялық және электр тогын өткізетін сұйықтықтың астрономиялық мерзімдерде магнит өрісін қалай сақтай алатынын сипаттайды. Динамо Жердің, Меркурийдің және Юпитер планеталарының магнит өрістерінің пайда болуына себеп болатын күш деп саналады.

Теорияның тарихы

Уильям Гилберт 1600 жылы "Магнит туралы" еңбегін жариялағанда, Жердің магниттік екендігіне қорытынды жасады және осы магнетизмнің пайда болуына қатысты алғашқы гипотезаны ұсынды: магниттасқан тастардағыдай тұрақты магнетизм. 1822 жылы Андре-Мари Ампер Жердің магниттілігіне ішкі токтардың жауапты екенін болжады. 1919 жылы Джозеф Лармор Жердің магниттік өрісін динамоның тудыруы мүмкін екенін ұсынды. Алайда, ол гипотезасын ұсынғаннан кейін де, бірқатар белгілі ғалымдар басқаша түсіндірмелер келтірді. Нобель сыйлығының лауреаты Патрик Блэкетт бұрыштық импульс пен магниттік момент арасындағы байланысты табу үшін тәжірибелер сериясын жүргізді, бірақ ешқандай байланыс таба алмады. Жердің магниттілігін түсіндіруде қазіргі кезде қабылданған динамо теориясының негізін қалаушы саналатын Уолтер М. Эльсассер бұл магниттік өрістің Жердің сұйық сыртқы қабатындағы электр тогының әсерінен пайда болатынын айтты. Ол тау жыныстарындағы минералдардың магниттік бағытын зерттеу арқылы Жердің магниттік өрісінің тарихын ашты. Магниттік өрістің Омдық ыдырауынан (дипольдік өріс үшін 20 000 жылда болатын) сақтау үшін сыртқы қабат конвекциялық болуы керек. Конвекция, ыстық және құрамына қатысты конвекцияның комбинациясынан туындауы мүмкін. Мантия ядродан жылудың шығу қарқынын бақылайды. Жылу көздеріне ядроның қысылуынан босатылатын гравитациялық энергия, ядроның ішкі шекарасында өсу кезінде жеңіл элементтердің (көбінесе күкірт, оттегі немесе кремний) шығарылуынан босатылатын гравитациялық энергия, ішкі шекарасында кристалданудың жасырын жылуы және калий, уран мен торийдің радиоактивтілігі жатады. 21 ғасырдың басында Жердің магниттік өрісін сандық модельдеу толыққанды жүзеге асырылмады. Алғашқы модельдер планетаның сұйық сыртқы қабатындағы конвекция арқылы өріс тудыруға бағытталған. Модельде ядролық сұйықтық үшін біртекті ядролық беттік температура және өте жоғары тұтқырлық болғанда, Жерге ұқсас күшті өріс пайда болуы мүмкін екені көрсетілді. Нақтырақ параметрлерді қамтитын есептеулер Жерге ұқсамайтын магниттік өрістерді көрсетті, бірақ модельді жетілдірудің нәтижесінде дәл аналитикалық модельге қол жеткізу мүмкін екенін көрсетті. Ядролық беттік температураның бірнеше милликельвин диапазонындағы шағын өзгерістер конвекциялық ағынды айтарлықтай арттырып, шынайы магниттік өрістерді тудырады.

Динамоны қолдап тұрған сулы-сулы жылу

Көк денелердің орбиталық тартылысы олардың ішкі бөліктерін қыздыратын үйкеліске әкеледі. Бұл құбылыс "көкден қыздыру" деп аталады және ол ішкі қабатты сұйық күйде ұстауға көмектеседі. Динамо құру үшін электр тогын өткізе алатын сұйық ішкі қабат қажет. Сатурнның Энцелад және Юпитердің Ио планеталары өздерінің ішкі ядроларын сұйықтыруға жеткілікті көкден қыздыруға ие, бірақ олар электр өткізбеуі мүмкін болғандықтан динамо құра алмайды. Меркурий, кішкентай болса да, темір құрамынан және өте эллипстік орбитасынан туындаған үйкелістен пайда болған өткізгіш сұйық ядроға ие болғандықтан магнит өрісіне ие. Айдың магниттелген тау жыныстарынан алынған мәліметтерге сүйене отырып, ол Жерге жақын болған кезде қысқа ғана уақытқа көкден қыздырудың нәтижесінде магнит өрісіне ие болған деген теория бар. Планетаның орбитасы мен айналысы сұйық ядроны қамтамасыз етуге көмектеседі және динамо әрекетін қолдайтын кинетикалық энергияны күшейтеді.

Кинематикалық динамо теориясы

Кинематикалық динамо теориясында жылдамдық өрісі динамикалық айнымалы ретінде емес, берілген шама ретінде қарастырылады: модель магнит өрісіне жауап ретінде ағынның өзгеруін ескермейді. Бұл әдіс толық бейсызықтық хаотикалық динамоның уақытқа байланысты өзгеруін болжауға мүмкіндік бермейді, бірақ ағынның құрылымы мен жылдамдығына қарай магнит өрісінің күші қалай өзгеретінін зерттеуге қолданылуы мүмкін. Максвелл теңдеулерін Ом заңының роторымен бірге қолдану арқылы, магнит өрістері (B) үшін негізінен сызықтық өзіндік мән теңдеуін шығаруға болады, бұл магнит өрісі жылдамдық өрісінен тәуелсіз деп есептеген кезде мүмкін. Осылайша, магниттік Рейнольдс санының сындық мәніне жетеді, одан жоғары ағынның күші сыртқы магнит өрісін күшейтуге жеткілікті, ал одан төмен магнит өрісі әлсірейді.

Мүмкін динамолардың практикалық өлшемі

Кинематикалық динамо теориясының ең маңызды мүмкіндігі – оны жылдамдық өрісінің динамолық әрекетке қабілеттілігін бағалау үшін қолдануға болады. Белгілі бір жылдамдық өрісін тәжірибелік түрде кішкентай магнит өрісіне қолдану арқылы, магнит өрісінің қолданылған ағынға жауап ретінде күшеюіне (немесе күшеймеуіне) бейімділігін байқауға болады. Егер магнит өрісі күшейсе, онда жүйе динамолық әрекетке қабілетті немесе динамо болып табылады, ал егер магнит өрісі күшеймесе, онда ол жай ғана «динамо емес» деп аталады. Мембраналық парадигма деп аталатын ұқсас тәсіл – қара тесіктерге қараудың бір жолы, ол олардың бетіне жақын материалды динамо теориясының тілімен сипаттауға мүмкіндік береді.

Топологиялық суперсимметрияның өздігінен бұзылуы

Кинематикалық динамоны сондай-ақ, фондық материяның ағынымен байланысты стохастикалық дифференциалдық теңдеудің топологиялық суперсимметриясының спонтанды түрде бұзылуының құбылысы ретінде қарастыруға болады. Стохастикалық суперсимметрия теориясы бойынша, бұл суперсимметрия барлық стохастикалық дифференциалдық теңдеулердің ішкі қасиеті болып табылады, оның түсіндірмесі – модельдің фазалық кеңістігі үздіксіз уақыт ағыны арқылы үздіксіздікті сақтайды. Осы ағынның үздіксіздігі спонтанды түрде бұзылғанда, жүйе детерминистік хаостың стохастикалық күйіне енеді. Басқаша айтқанда, кинематикалық динамо негізгі фондық материядағы хаотикалық ағын нәтижесінде туындайды.

Магниттік және кинематикалық энергияның энергияны айырбастау

Жоғарыда келтірілген Навье-Стокс теңдеуінің скалярлық көбейтіндісі сол жақтағы кинетикалық энергия тығыздығының өсу жылдамдығын анықтайды. Оң жақтағы соңғы мүше – Лоренц күшінің кинетикалық энергияға тигізетін жергілікті үлесі. Индукция теңдеуінің скалярлық көбейтіндісі сол жақтағы магниттік энергия тығыздығының өсу қарқынын анықтайды. Оң жақтағы соңғы мүше, теңдеу көлем бойынша интегралдануына байланысты, шекаралық мүшеге дейін (және скалярлық үштік көбейтіндінің сәйкестігі екі рет қолданылуымен) тең болады (мұнда Максвелл теңдеулерінің бірі қолданылған). Бұл – сұйықтықтың қозғалысынан туындаған магниттік энергияға тигізетін жергілікті үлес. Осылайша, мүше – кинетикалық энергияның магниттік энергияға айналу жылдамдығын көрсетеді. Динамоның магниттік өріс тудыруы үшін, бұл мүше кем дегенде көлемнің бір бөлігінде теріс болмауы керек. Ω = 2/күн = 7.3×10−5/секунд және σ шамамен 107Ω−1m−1. Бұл 2.7×10−4 Теслаға тең. Магниттік диполдің магниттік өрісі қашықтыққа кері пропорционалды кубтық тәуелділікке ие, сондықтан оның Жер бетіндегі шамасын бағалау үшін жоғарыдағы нәтижені 2.5×10−5 Теслаға көбейтуге болады, бұл экваторда өлшенген 3×10−5 Тесла мәнінен көп айырмас.

Сандық модельдер

Жалпы алғанда, геодинамо модельдері жоғарыда көрсетілгендей, белгілі бір шарттар мен теңдеулерді ескере отырып, байқау деректерімен сәйкес келетін магниттік өрістерді жасауға тырысады. Магнитогидродинамикалық теңдеулерді табысты жүзеге асыру ерекше маңызды болды, себебі олар динамо модельдерін өзін-өзі сәйкестігіне итермеледі. Геодинамо модельдері кеңінен таралған болса да, динамо модельдері міндетті түрде геодинамомен ғана шектелмейді; күн және жалпы динамо модельдері де қызығушылық тудырады. Динамо модельдерін зерттеу геофизика саласында пайдалы, өйткені мұндай зерттеулер Жер сияқты астрофизикалық денелердің магниттік өрістерін қалыптастыратын әртүрлі механизмдерді және олардың полюстік инверсия сияқты белгілі бір ерекшеліктерін қалай тудыратынын анықтауға мүмкіндік береді. Динамоның сандық модельдерінде қолданылатын теңдеулер өте күрделі. Теоретиктер ондаған жылдар бойы жоғарыда сипатталған екі өлшемді кинематикалық динамо модельдерімен шектелді, онда сұйықтықтың қозғалысы алдын ала таңдалып, оның магниттік өрісге тигізетін әсері есептелді. Динамоның сызықтық емес, үш өлшемді модельдерге көшуіне көбінесе магнитогидродинамикалық теңдеулерге шешімдерді табу кедергі келтірді, бұл кинематикалық модельдерде жасалған көптеген болжамдардың қажеттілігін жояды және өзін-өзі сәйкестікті қамтамасыз етеді. Сұйықтықтың қозғалысын және магниттік өрісті анықтайтын алғашқы өзін-өзі сәйкестендіретін динамо модельдері 1995 жылы екі топта жасалды – бірі Жапонияда, екіншісі АҚШ-та. Соңғысы геодинамоға қатысты модель ретінде жасалды және Жердің өрісінің кейбір сипаттамаларын сәтті қайта жасай алғандықтан көп назар аударды. Қорытындылай айтқанда, есептеу қуаты жетілдірілгенше, реалистік динамо модельдерін есептеу әдістерін тиімдірек ету қажет, сондықтан модельдерді есептеу әдістерін жетілдіру сандық динамо модельдеуді дамыту үшін өте маңызды.