【汉语拼音】yuzhou ciliuti lixue
【中文词条】宇宙磁流体力学
【外文词条】cosmic magnetohydrodynamics
【作者】吴林襄
         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宏观方法。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﹐而且在局部区域和一定时间内﹐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10～10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对象﹐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﹐引进了许多新的特徵过程﹐因而内容十分丰富。宇宙磁流体力学更有其特色。首先﹐它所研究的对象的特徵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旁际母荨Ｔ硕г诖帕魈辶ρе杏兄煌暮濠o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 4π UL /c (c 为光速﹐ 为电导率﹐U 和L 分别为问题的特徵速度和特徵长度)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黏滞阻力一样的作用﹐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系的。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.Alfven and C.G.Flthemmer﹐Cosmical Electrodynamics﹐Oxford Univ. Press﹐London﹐1963.)