КАК МЕТОДЫ МЕХАНИКИ СПЛОШНЫХ СРЕД ИСПОЛЬЗУЮТСЯ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛЕЙ ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В УСЛОВИЯХ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА? ТЕОРИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТ

Автор: Баранов Владимир Борисович

Организация: Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Несмотря на то, что космическое пространство заполнено очень разреженным газом, для построения моделей физических явлений, встречающихся в космосе, часто используются методы гидроаэромеханики и магнитной гидродинамики. Это обусловлено, во-первых, тем, что обычно характерные масштабы этих явлений очень велики, а длины свободного пробега часто оказываются малыми по сравнению с ними. Во-вторых, космическое пространство заполнено в основном ионизованным газом, т.е. газом, который находится в состоянии плазмы. В последнем случае длины свободного пробега могут определяться не только парными кулоновскими столкновениями между заряженными частицами, но и так называемыми «коллективными» процессами, при которых длины свободного пробега существенно меньше длин свободного пробега в парных столкновениях, что дает возможность построения гидродинамических моделей. Активное развитие теоретических моделей тех явлений, которые встречаются в космическом пространстве, началось после того, как космические аппараты вышли в открытый космос, а приборы, устанавливаемые на них, смогли проводить прямые измерения гидродинамических параметров (скорости, плотности, температуры). Кроме того, появилась возможность исследования удаленных астрофизических явлений во всем диапазоне длин волн. Это, конечно, накладывает особую ответственность на ученых, занятых построением теоретических моделей, поскольку ценность модели определяется экспериментальным подтверждением ее выводов.       

        В настоящем докладе будут затронуты две проблемы, к которым автор имеет самое непосредственное отношение, а именно, взаимодействие солнечного ветра с межзвездной средой, окружающей солнечную систему, и с кометными атмосферами. Обе проблемы сводятся к газодинамическому или магнитогидродинамическому (МГД) взаимодействию двух сверхзвуковых потоков, в которых происходят химические реакции (процессы перезарядки, фотоионизации, ионизации электронным ударом и др.). Запуск космических аппаратов (КА) Voyager – 1, Voyager – 2, Pioneer – 10, Pioneer – 11 в середине 70-х годов прошлого столетия для изучения удаленных областей солнечной системы придал особую актуальность первой проблеме. Автору доклада вместе с сотрудниками и коллегами удалось построить пионерские модели с образованием двух ударных волн (в солнечном ветре и в межзвездной плазме) и тангенциального разрыва, разделяющего оба потока. В частности, в работе [1] впервые была предложена модель в ньютоновском приближении тонкого слоя. которая дала толчок к созданию реальной модели, учитывающей главный процесс резонансной перезарядки атомов Н, проникающими из межзвездной среды в солнечный ветер,  с протонами  [2]. Многие физические явления, предсказанные в модели [2], были через много лет подтверждены экспериментами на КА. В частности, на Рис. 1 приведены данные расчета формы и положения сильных разрывов, полученные в этой работе. Аппараты Voyager – 1 и Voyager – 2 пересекли ударную волну торможения солнечного ветра в 2004 и 2007 году на расстояниях 84 а.е. и 94 а.е., соответственно, что, с точностью ~ 3%, совпадает с предсказанным положением этой ударной волны (TS).

                Для понимания процессов, которые происходят при взаимодействии солнечного ветра с кометными атмосферами, важным моментом были миссии космических аппаратов Вега – 1, Вега – 2, Giotto, Suissei и Sakigakе к комете Галлея в марте 1986 года и аппарата Rosetta к комете Чурюмова – Герасименко (2014 – 2016 годы). Пионерская работа по созданию гидродинамической модели в этой проблеме принадлежит авторам работы [3]. Применительно к исследованию кометы Галлея в марте 1986 года качественная модель в [3] была численно решена в работе [4], результаты которой хорошо совпали с данными экспериментов на космических аппаратах. В дальнейшем авторами работ [5 – 7] была развита МГД модель взаимодействия солнечного ветра с атмосферами комет Галлея, Григга – Шеллерупа и Чурюмова – Герасименко во время прохождения этих комет через перигелий.

Рисунок: Результаты численной модели взаимодействия солнечного ветра и межзвёздной звезды (Baranov and Malama, JGR, 1993). Левый рисунок не учитывает  процесс резонансной перезарядки. Правый рисунок учитывает этот важный в проблеме эффект.

Автор выражает благодарность гранту РФФИ № 16-01-00305 за частичную финансовую поддержку доклада.

[1] Баранов В.Б., Краснобаев К.В., Куликовский А.Г., ДАН СССР, т. 194, стр. 41, 1970,  

[2] Baranov V.B., Malama Yu.G., J. Geophys. Res., v. 98, pp. 15157 – 15163, 1993.

[3] L. Biermann, B. Brosowski, and H.U. Schmidt, Solar Phys., v. 1, p. 254, 1967

 [4] Баранов В.Б., Лебедев М.Г., Письма в АЖ, т.. 12, стр.. 551, 1986

 [5] Алексашов Д.Б., Баранов В.Б, Лебедев, Известия РАН, МЖГ, № 1,  2015

 [6] Baranov V.B., Alexashov D.B., Lebedev M.G., MNRAS, v. 449, pp.  2268–2273, 2015

 [7] Lebedev M.G., Baranov V.B., Alexashov D.B., Earth, Moon and Planets, v. 116, pp. 159 – 179, 2015