Это очень интересный и полезный эффект. Если токопроводящий объект, например провод, движется в магнитном поле, по этому проводу будет протекать электрический ток. Этот ток, в свою очередь, генерирует собственное магнитное поле. Если ток будет течь в подходящем направлении, его магнитное поле будет усиливать внешнее магнитное поле, и вы получите самоподдерживающуюся систему.
Однако это срабатывает только в том случае, если имеется внешний источник энергии, приводящий объекты в движение. Например, вы могли бы использовать пусковую рукоятку и вращать катушку из медного провода внутри магнитного поля (создаваемого постоянным магнитом). В этом случае источником внешней энергии является ваша рука. А если вы сообразительны и хотите генерировать много электричества, вы помещаете эту конструкцию у источника проточной воды, например внутрь плотины, и делаете гигантские турбины из меди, которые вращает текущая вода… именно по такому принципу работает гидроэлектростанция. Система, таким образом преобразующая механическую энергию в электрическую, называется динамо.
Солнце — именно такое динамо. Внутри оно горячее: настолько горячее, что электроны срывает с орбит атомов и они могут двигаться более или менее свободно. Атом, лишившийся одного или нескольких электронов, называют ионизированным. Свободные электроны, двигаясь в ионизированном газе, генерируют магнитные поля.
Если бы Солнце просто висело в пространстве, как неподвижный и невращающийся раскаленный газовый шар, электроны внутри него двигались бы хаотично, поэтому все возникающие отдельные магнитные поля были бы ориентированы в произвольных направлениях и компенсировали друг друга. Но движение электронов внутри Солнца далеко не беспорядочное. Начнем с того, что Солнце совершает один оборот вокруг своей оси в месяц, и благодаря этому внутри него возникают потоки газа. Для электронов такое преобладающее направление движения означает, что их индивидуальные магнитные поля могут усиливать друг друга, создавая более сильное магнитное поле, как ручьи, все вместе впадающие в реку.
Если бы это было так просто, ученые понимали бы все о том, что происходит на Солнце. Но на самом деле Солнце устроено невероятно сложно, внутри у него находится обширная система движущегося газа. От тепла ядра газ поднимается
[8], генерируя исполинские газовые конвейерные ленты высотой свыше 160 000 км, движущиеся вверх и вниз внутри Солнца. Другие реки газа похожи на высотное струйное течение на Земле, а третьи текут на север и также на юг. Солнце становится больше похоже на клубок извивающихся червей, чем на простой газовый шар. Похоже на карту Токио, но в трех измерениях и изменяющуюся с течением времени. В результате магнитное поле Солнца — просто кошмар, в нем жутко сложно разобраться. Плюс, однако, в том, что благодаря ему множество гелиофизиков не слоняются по улицам.
Все это, вместе взятое, и создает солнечное динамо. Внутри Солнца протекают токи из заряженных частиц. Так как эти токи движутся в магнитном поле, они и сами генерируют магнитное поле, в результате вся система усиливает саму себя. В данном случае пусковая рукоятка — само Солнце, собственным вращением прикладывающее механическую энергию, необходимую для того, чтобы генерировать динамо. Солнце огромное и массивное, поэтому в энергии вращения недостатка нет. Солнечное магнитное поле создается за счет вращения Солнца, но, чтобы хоть сколь-нибудь заметно его затормозить, энергия должна расходоваться миллиарды лет.
Солнечное магнитное поле устроено сложно и интересно, и под интересным я, конечно же, подразумеваю «опасное».
Или вы забыли, какой у этой книги заголовок?
Магнитный пузырь, катушка и неприятности
Ранее я упоминал, что звезде можно дать следующее определение: объект, в центре которого происходит ядерный синтез, а стремление к расширению, обусловленное генерируемой энергией, уравновешивается силами тяготения.
В этом отношении звезды — это упражнение на соблюдение баланса. Если бы их силы тяготения были слабее, они бы раздулись или взорвались. Если бы они генерировали чуть меньше энергии, они бы сжались или пережили гравитационный коллапс (оба этих явления будут описаны подробнее в следующих главах). В стабильной звезде существует деликатный баланс между вращением, химическим составом, силами тяготения, теплом, давлением и да, магнитным полем.
Но иногда система дает сбой.
На иллюстрации простого магнитного поля вы обычно видите группу линий, выходящих из полюсов магнита и соединяющих один магнитный полюс с другим. Силовые линии магнитного бруска, например, похожи на пончик. С помощью линий магнитного поля удобно показывать силу магнита: там, где линии сходятся (как у полюсов магнитного бруска), магнитное поле сильнее; там, где они проходят на расстоянии друг от друга, поле слабее. Если вы поместите небольшой магнитный брусок в магнитное поле более крупного магнита, магнит меньших размеров сориентируется по направлению линий поля более крупного. Именно поэтому стрелка компаса указывает на север; стрелка — это магнит, и она ориентируется вдоль линий магнитного поля Земли.
Если магнит имеет более сложную форму, ситуация усложняется. Если магнитный брусок изогнуть, силовые линии поля также изогнутся. Если взять дюжину, сотню магнитов и смешать их в кучу, силовые линии поля могут сильно искривиться, потому что каждый фрагмент магнитного поля привязан к создающему его объекту. Сдвиньте один, и вы повлияете на другой.
Магнитное поле Солнца создают движущиеся потоки газа — течения, которые перекручиваются, искривляются и извиваются, как реки на Земле. Силовые линии поля возникают под поверхностью Солнца, но там не остаются; их петли прорываются сквозь поверхность Солнца наружу и ныряют обратно невероятно хитросплетенным и взаимосвязанным образом. Эти магнитные силовые линии могут сильно переплетаться и спутываться. Когда такое случается, на поверхности Солнца происходят кардинальные изменения.
Прежде всего, так как линии поля и газ взаимосвязаны, когда линии спутываются и уплотняются, движение газа затрудняется. Это как если бы на него набросили гигантскую сеть, не дающую ему двигаться свободно. Более горячий газ, поднимающийся из глубин, не может достичь поверхности, и области, в которых линии особенно плотные, начинают остывать. Поскольку яркость Солнца зависит от его температуры, более холодный участок становится тусклее, образуя темную область на Солнце, которая называется солнечным пятном. Так как по своей сути солнечные пятна — явление магнитное (на самом деле это поперечное сечение линий магнитного поля в том месте, где они пересекают поверхность Солнца), они всегда появляются парами с разной полярностью: одно как северный полюс магнита, а второе — южный полюс.
Солнечные пятна могут быть маленькими, еле заметными в телескопы на Земле, а могут быть гигантскими, гораздо больше размеров Земли, при этом некоторые из них настолько большие, что их можно видеть невооруженным глазом, когда Солнце находится у горизонта
[9].
