宇宙磁流体力学

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[拼音]:yuzhou ciliuti lixue

[英文]:cosmic magnetohydrodynamics

磁流体力学是研究导电流体与电磁场相互作用的学科,它在天体物理学中的应用,便形成了宇宙磁流体力学,是理论天体物理学的一个分支。

在电磁场中运动的导电流体,一方面受到洛伦兹力的作用,同时还产生感应电动势。前者使流体运动受到电磁场的影响,后者则使电磁场又受到流体运动的影响,因此形成流场与电磁场之间的耦合。等离子体在一定条件下可以看作连续介质,磁流体力学则是研究等离子体理论的巨集观方法。实际上,磁流体力学的发展一直是与等离子体动力学的发展互相促进的。

宇宙中绝大部分物质都处于气体和等离子体状态。在恒星内部,气体几乎是完全电离的。太阳光球的电离度虽不太高,但色球和日冕的电离度几乎达到百分之百。高温恒星周围的星际空间的气体,一般也是高度电离的。宇宙中磁场是普遍存在的。太阳上不仅普遍有磁场,而且在区域性区域和一定时间内,磁场可以很强,如太阳黑子的磁场强度可达数千高斯。恒星上也存在磁场,已观测到的磁变星的磁场强度可达几万高斯。中子星的场强更大,可达1012~1014高斯。在恒星际空间和星系际空间也存在磁场。因此,磁场中等离子体的运动就成为天体物理研究的重要物件,而磁流体力学则是一个重要的研究工具。

磁流体力学以流体力学和电动力学为基础,把流场方程和电磁场方程联立起来,引进了许多新的特征过程,因而内容十分丰富。宇宙磁流体力学更有其特色。首先,它所研究的物件的特征长度一般来说是非常大的,因而电感的作用远远大于电阻的作用。其次,其有效时间非常久,所以由电磁原因引起的某些作用力纵然不大,却能产生重大效应。磁流体力学大体上可以和流体力学平行地进行研究,但因磁场的存在也具有自己的特点:在磁流体静力学中的平衡方程,和流体静力学相比,增加了磁应力部分,这就是产生磁约束的根据。运动学在磁流体力学中有著不同的涵义,它研究磁场的“运动”,即在介质流动下磁场的演变。与正压流体中的涡旋相似,磁场的变化也是由对流和扩散两种作用引起的。如果流体是理想导体,磁力线则冻结在流体上,即在同一磁力线上的质点恒在同一磁力线上。如果电导率是有限的,则磁场还要扩散。两种作用的强弱取决于磁雷诺数 4πσUL/c2(c为光速,σ 为电导率,U和L分别为问题的特征速度和特征长度)的大小。研究流动如何产生和维持天体中磁流发电机制(见太阳平均磁流发电机机制),目前大多是以运动学为基础的。

扰动的传播与一般流体力学有很大不同。首先,由于磁张力,冻结在流体中的磁力线象绷紧的弦一样,垂直磁力线的扰动可以沿著这种磁力线传播,形成阿尔文波,其速度为

(B为基态磁感应强度;μ为流体的磁导率;ρ是流体密度),叫作阿尔文速度。其次,磁流体力学中声波受磁场影响将分解为快磁声波和慢磁声波两种,它们的相速度分别大于和小于阿尔文波的相速度。这三种波的传播一般是各向异性的,它们统称为磁流体力学波。

无论对于平衡的不稳定性,层流转换为湍流的不稳定性或热力不稳定性,磁场的影响都会起很重要的作用。一般来说,磁场对导电流体的运动起著像粘滞阻力一样的作用,并且使导电流体具有一定程度的刚性。这样就会减弱任何导致不稳定的趋向。同时,磁场的存在也将传播一些新的扰动模式。

磁流体力学湍流往往是与宇宙中磁场的产生和维持相联络的。湍流的无规则运动一般会使磁力线伸长,而使磁场增强。另一方面,湍流也会增加磁场的耗散率。当然,磁场也将对湍流运动起反作用。

参考书目

考林著,唐戈、郭均译:《电磁流体力学》,科学出版社,北京,1960。(T.G.Cowling,Magnetohydrodynamics,Hilger Bristol.)

阿尔芬等著,戴世强译:《宇宙电动力学》,科学出版社,北京,1974。(H.AlfvenandC.G.Flthemmer,CosmicalElectrodynamics,Oxford Univ. Press,London,1963.)

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