Ученые смоделировали движение жидкостей, напоминающих плазму космоса
Российские ученые совместно с иностранными коллегами с помощью компьютерного моделирования объяснили поведение особого типа жидкостей, способных реагировать на магнитное поле. Под воздействием поля на поверхности таких жидкостей возникают волны, распространяющиеся в разных направлениях с неодинаковой скоростью. Обычные жидкости — например, вода — так себя не ведут.
Зато похоже ведут себя волны в атмосфере Солнца и других космических тел, поэтому предложенная модель поможет объяснить многие до сих пор не изученные процессы, протекающие в космической плазме. Кроме того, работа будет полезна при создании новых материалов с заданными характеристиками поверхности. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review E.
Распределение энергии на поверхности ферромагнитной жидкости при воздействии внешнего магнитного поля. Сила поля увеличивается от (а) к (d).
Для любой жидкости характерно явление турбулентности — образование нелинейных волн на ее поверхности. При этом они распространяются вдоль всех направлений с одинаковой скоростью, то есть изотропно. Этот случай турбулентности хорошо исследован. Иначе ведут себя ферромагнитные жидкости в присутствии внешнего магнитного поля. Такие вещества представляют собой взвесь способных намагничиваться наночастиц в воде или в другом растворителе.
При действии внешнего магнитного поля скорость поверхностных волн ферромагнитной жидкости зависит от направления их распространения: скорость волн, бегущих вдоль линий магнитного поля, существенно выше, чем у тех, которые распространяются перпендикулярно. Такое свойство называется анизотропия. Несмотря на то, что это явление было открыто около десяти лет назад, оно по-прежнему мало исследовано.
Ученые из Сколтеха (Москва), Института электрофизики УрО РАН (Екатеринбург) и Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (Москва) в сотрудничестве с коллегами из Парижского университета Сите (Франция) создали компьютерную модель, описывающую распространение волн на поверхности ферромагнитной жидкости. В модели рассматривается несжимаемая ферромагнитная жидкость бесконечной глубины с задаваемой экспериментатором вязкостью, крутизной волны и другими параметрами. Силу воздействующего магнитного поля также можно варьировать.
Было показано, что распределение энергии на поверхности жидкости в отсутствие магнитного поля хорошо описывается уравнением турбулентности для поверхности обычной жидкости типа воды, а в случае сильного магнитного поля более подходящим является уравнение для жидкости с анизотропной турбулентностью.
Выяснилось, что свойства исследованной турбулентности очень близки к тем, какие проявляют жидкости в недрах звезд и магнитосферах планет-гигантов, таких как Юпитер. Для обоих случаев характерно анизотропное распространение волн, и при действии магнитного поля возникают возмущения поверхности, распространяющиеся перпендикулярно ему. Если поле достаточно сильное, это формирует резкие градиенты давления. Процесс напоминает появление корональных петель в солнечной атмосфере.
