ИНТРОДУКЦИЯ

Академик Я. Зельдович (1914 - 1987):

- Все это очень просто. Берется магнитная линия, растягивается до эллипса, затем скручивается в форме восьмерки, перегибается в районе талии и полученные две половинки восьмерки накладываются друг на друга. Так происходит удвоение магнитного поля. Потом с удвоенной петлей проделывается то же самое. Потом еще и еще.

Примерно так объяснял академик Я. Зельдович коллегам, как добиться экспоненциального роста магнитного поля. <Экспоненциальный рост - простыми словами, это такой рост, при котором, чем больше вырастет какая-либо величина, тем больше ускоряется его рост.>

Растягивать и переплетать магнитные линии - это круто! Если кто-то в этом сомневается, может попробовать сам. Надо насыпать на фанерку, под которой расположен магнит, железные опилки или порошок для принтера, и попытаться хотя бы на микрон сдвинуть одну из проявившихся магнитных линий. Ученых, между тем, эта задача не смущает.

Зачем ее решать? Ответ на тот вопрос я получил в лаборатории физической гидродинамики Института механики сплошных сред (ИМСС) Уральского отделения Российской Академии Наук.

ЧАСТЬ 1. ДИНАМО - СИЛА В ДВИЖЕНИИ

Этот девиз, или по-нынешнему слоган, в Советском Союзе появился в 20-х годах прошлого века и связан с зарождением одноименного спортивного общества и футбольной команды того же имени. Интересно, что несколько раньше и в научных кругах модным стало явление, получившее то же самое наименование - динамо. И самое интересное заключается в том, что суть спортивного девиза как нельзя лучше отражает и суть физического явления. Для понимания стоит сказать несколько слов об истории вопроса.

С магнитным полем Земли знакомы все, кто хоть раз держал в руках компас. Но увидеть, что его стрелка показывает примерно на север, совсем не означает - понять, почему это происходит. То есть, откуда взялось оно - магнитное поле Земли, направляющее стрелку компаса? И каким образом подпитывается его столь долгое существование? Гипотез было множество. И самая ранняя из них - существование внутри Земли огромного магнитного тела. Однако она не выдержала критики в связи с тем, что вскоре стало известно: магнитные свойства материалов пропадают при не слишком высокой температуре, которую назвали точкой Кюри. Эта температура, например, для железа равна 768 градусам Цельсия. А на глубине уже в 100 километров температура выше 1000 градусов. Не говоря о Солнце, которое также обладает магнитным полем, а температурами - в тысячи градусов.

Про большое магнитное тело внутри Земли забыли 100 лет назад. В 1919 году ирландский физик и математик сэр Джозеф Лармор опубликовал статью размером в одну страничку, в которой заявил, что для объяснения космического магнетизма существует лишь явление электромагнитной индукции. Это было время, когда все бредили автомобилями. И концепция Лармора была названа по имени одной из деталей автомобиля, использующей для собственной работоспособности именно явление электромагнитной индукции.

Так в физике возникла теория динамо. Суть в следующем. При определенном движении электропроводной рамки в магнитном поле в ней начинает течь ток. Этот ток тоже создает магнитное поле. Но беда в том, что это наведенное поле никак не складывается с затравочным. Способ добиться того, чтобы поле, возбужденное рамкой, не гасило исходное, а напротив, умножало его, и пояснил коллегам на конференции в польском городе Кракове Я.Б. Зельдович. Для чего, как говорят, попросил у сидящего в первом ряду брючный ремень и с его помощью показал, как надо перекручивать и складывать магнитные петли. Знаменитую «восьмерку Зельдовича» обозначили английским термином stretch-twist-fold process (растяжение-скручивание-складывание).

ИНТЕРМЕЦЦО

Трижды Герой Социалистического Труда, лауреат Ленинской и четырех Сталинских премий, участник Атомного проекта академик Яков Борисович Зельдович отличался необычайной широтой научных интересов. Наиболее известны труды Якова Борисовича по физике горения и взрыва, детонации, ядерной физике, астрофизике, космологии.

Я.Б. Зельдович был одним из самых засекреченных академиков СССР. Когда ему разрешили публиковать свои научные статьи в академических журналах, многие учёные на Западе считали, что Яков Зельдович - это псевдоним большой группы советских учёных. И как только узнали, что это не псевдоним, а человек, его провозгласили гениальным астрономом!

Лев Ландау отмечал: «Ни один физик, исключая Ферми, не обладал таким богатством новых идей, как Зельдович».

Академик Юлий Харитон: «Решая какую-нибудь сложную проблему, мучаясь над нею, в глубине души я всегда знал, что есть Зельдович. Стоило прийти к нему, и он всегда находил решение любого самого сложного вопроса, причем делалось это ещё и красиво, изящно».

Магнитное поле - не эксклюзив Земли. Магнитными полями обладают многие планеты, в том числе газообразные. Огромный плазменный шар - Солнце, тоже имеет магнитное поле, как и многие звезды. Более того, огромными магнитами являются Галактики, в том числе и наша - Млечный Путь. Этим, собственно говоря, и объяснялось внимание ученых, астрофизиков к проблеме. Оно подогревалось также и тем, что время от времени магнитные полюса небесных тел менялись местами. Известно, что такой цикл на Солнце составляет 22 года. То есть каждые 11 лет полюса меняются местами. Но если Солнцу такая инверсия не слишком вредит, то смена магнитных полюсов Земли (последний раз 42 тысячи лет назад) может привести к серьезным последствиям, вроде глобального вымирания и постепенного нарождения новых форм жизни. Трудно не согласиться, что существующая форма жизни нас вполне устраивает, и хотелось бы знать, сколь долго ей остается существовать.

Теория динамо могла бы пролить свет на многое. Она активно разрабатывалась различными учеными в 1960-70-80-х годах. Выдвигались идеи и догадки. Подвести под эти соображения базу в виде продуманных уравнений, учитывающих реалистичный (турбулентный) характер движения астрофизических сред, удалось немецким физикам Максу Штеенбеку, Фрицу Краузе и Карлу Хайнцу Рэдлеру.

Их работа была написана тяжелым языком, по-немецки, символы физических величин набраны готическим шрифтом, и опубликована она была в малоизвестном журнале. Однако ее быстро перевели на английский язык, и она стала популярной среди специалистов. При переводе все символы были обозначены общепринятыми буквами греческого алфавита.

Не вдаваясь в суть даже самых общих положений (осмыслить и вникнуть в их существо мне лично не представляется возможным), можно сообщить следующее. Теоретики пришли к заключению, что динамо может возникнуть лишь в хорошо проводящей электрический ток среде. Эта среда должна перемещаться с определенной, очень высокой скоростью. И наконец, она должна закручиваться (П.Г. Фрик, заведующий лабораторией физической гидродинамики: «Не совсем так - она должна нарушить зеркальную симметрию потока. Основная заслуга команды Штеенбека - мысль о том, что симметрию может разбить мелкомасштабная турбулентность»). Другими словами, среда должна быть жидкостью, жидкость эту надо хорошо разогнать, и не просто разогнать, но и закрутить в большие или маленькие винтовые вихри, например, особым приспособлением, похожим на неподвижный гребной винт (дивертор), установленном в потоке.

Тут мы снова обратимся к «восьмерке Зельдовича», упростив пояснение ее работы настолько, что оно может показаться сведущим людям лежащим за гранью истинности. Поступательная скорость электропроводящей жидкости, если прогонять ее по трубе в приложенном извне магнитном поле, возбудит в жидкости собственное магнитное поле, скорость растянет магнитные линии жидкости в овальные петли, вращение скрутит их в восьмерки. Что касается складывания восьмерок, то тут большой вопрос. Пока что ученым понятно только то, что они не складываются. Однако разнообразными техническими ухищрениями можно добиться того, чтобы часть одной восьмерки складывалась с частью другой.

Для того чтобы реализация «восьмерки» не выглядела так уж просто, добавим, что ученым еще долго пришлось ломать голову над многими вещами. Например, над тем, как будут скручиваться восьмерки - с поворотом влево или вправо. Или как попало? Если пустить это дело на самотек, то повороты в ту и другую стороны равновероятны, они погасят друг друга, и тогда не удастся получить ненулевое среднее поле. Как всего этого избежать? Оставим этот и многие другие вопросы без ответа. Отметим только: теоретически доказано, что полноценное динамо будет получено при осуществлении многих условий, первое из которых было названо альфа-эффектом, а количество их таково (бета, гамма и т.д), что только перечень их (в виде математических формул) займет целиком страницу формата А4, хотя на обозначение этих эффектов букв греческого алфавита все-таки хватает.

ОТ ТЕОРИИ К ЛАБОРАТОРИИ

Физика- наука экспериментальная. Долгое обсуждение моделей физических процессов закономерно приводит к желанию подтвердить все эти домыслы экспериментально.

А тут еще совпало то, что к 90-м годам прошлого века произошел существенный прорыв в области радиоастрономии. Исследования показали, что вся астрофизика без правильного описания магнитных полей работать не может. То есть, нужно изучать магнитные поля, их происхождение, строить точные модели всех свойств межзвездной среды, плазмы и т.д. А в основе всех этих моделей лежит принцип динамо. И началась гонка, подобная гонке вооружений, за тем, чтобы построить эксперимент с динамо-эффектом.

Первое, что следовало сделать, это выбрать электропроводную жидкость. Выбор оказался невелик. У электролитов проводимость плохая, остаются жидкие металлы. Ртуть - дорогая, опасная, очень тяжелая. Чтобы разогнать большое количество ртути до необходимых скоростей, нужна огромная энергия и трудно представимая прочность конструкции. В лабораторных экспериментах по изучению течений жидких металлов широко используется галлий - он вдвое легче ртути и плавится при 29°C (то есть очень удобен для эксперимента), но галлий тоже дорогой и не так хорошо проводит электрический ток. Следующий кандидат - натрий. Хотя жидкий натрий взрывоопасен на воздухе, а температура его плавления почти достигает сотни градусов, зато он дешев, проводит ток лучше галлия и очень легкий: его плотность и вязкость совпадает с плотностью воды.

Теперь о скорости. Динамо-эффект - явление критическое. То есть, он возникает при достижении порогового значения сочетания нескольких величин. Эти величины входят в так называемое магнитное число Рейнольдса. Величина этого числа зависит от скорости, развиваемой течением, характерного размера экспериментальной установки и коэффициента магнитной диффузии (определяемой физическими свойствами прогоняемой жидкости).

Что касается скорости движения и размеров, то возможности лабораторной физики явно проигрывают возможностям космической среды. Главное преимущество космосу дают огромные размеры. Понятно, что процессы в космической среде проходят при закритических числах Рейнольдса. У Солнца, например, это число составляет единицу с восемью нулями. В условиях лаборатории, подсчитали теоретики, динамо может возникнуть при числе Рейнольдса равном 17. Тем не менее, лабораторная установка размером, скажем, в 10 метров, в которой среда движется со скоростью 10  м/сек, - зрелище циклопическое и не для слабонервных.

Итак, в гонку за динамо-экспериментом включились физики разных стран, в том числе и советские. Магнитная гидродинамика, к которой по своему смыслу должен принадлежать этот эксперимент, была одной из сильных областей советской физики. Эта область науки пользовалась вниманием правительства, в свое время оно приняло специальное решение о том, что центром исследований в области магнитной гидродинамики должна стать Латвийская ССР, а именно Институт физики Латвийской ССР в Саласпилсе под Ригой.

Первая установка здесь была создана совместно с Научно-исследовательским институтом электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова еще в 1980-е годы. В ней насос нагнетал жидкий натрий через закручивающий направляющий аппарат (дивертор) в цилиндр диаметром 140 мм, который находился внутри цилиндра диаметром 500 мм, также заполненного натрием. Установку запустили в 1987 году, но желаемого эффекта получить не удалось. Во второй половине 90-х годов к латвийским физикам присоединилась группа Г. Герберта из Дрездена (Германия). Все было тщательно изучено. При сохранении принципа были изменены параметры и некоторые элементы конструкции. И за несколько дней до конца прошлого тысячелетия впервые получено самовозбуждение магнитного поля в потоке жидкого натрия. Тонны натрия прокачивались мощными насосами через систему труб и емкостей, занимавших трехэтажное здание. Немало времени ушло на решение самых разнообразных технических проблем, хотя бы на устранение пробок при течении натрия. При достижении критического режима возникало опасение, что от работы мощных насосов здание может разрушиться. Тем не менее, успех был достигнут, и работа нашла мировое признание.

Через несколько дней самовозбуждение магнитного поля было получено в другом динамо-эксперименте, на этот раз чисто немецком, который проводили в Карлсруэ (Германия). Это была сборка из 52 генераторов, каждый из которых напоминал рижские «трубы», но вращение создавалось не во внутренней, а во внешней трубе. Эта работа тоже приобрела мировую известность.

Что представляла собой немецкая экспериментальная установка? О своих наблюдениях рассказывает ведущий научный сотрудник лаборатории физической гидродинамики ИМСС доктор физико-математических наук Родион Степанов:

- Я был тогда аспирантом, получил стипендию в 98-м, кажется, году. И съездил в Карлсруэ сделать доклад о работе. Заодно мне позволили и осмотреть эту экспериментальную базу. Такое впечатление, будто находишься на большом металлургическом предприятии. Огромные бочки из нержавейки, баки, трубопроводы. Все это покрыто толстым слоем теплоизоляции. При мне немцы установку не запускали. У них как раз тогда возникла первая проблема. Они запустили ее и не получили эффекта. Тогда решили поменять все насосы. Короче, была там у них полная реконструкция. И видишь, сколько там людей... Все в спецодежде ходят, как на высокотехнологичных предприятиях. Эта громадная бочка и толстые трубы вокруг, это огромное здание... Когда видишь эксперимент размером со здание, понимаешь что такое масштаб...

ДИНАМО В ПЕРМИ

Идея динамо-эксперимента в Перми, можно сказать, была на поверхности. Сейчас многие затрудняются вспомнить, кому конкретно она принадлежала. В лаборатории физической гидродинамики ИМСС проводились исследования поведения жидкостей в тороидальной полости. Говорят, это и породило мысль получить динамо-эффект в объеме такой конфигурации.

Тор - геометрическая фигура, напоминающая баранку. В нашем случае он пустотелый. Эта полость заполняется жидкостью. Идея была такая. Раскрутить тор - для этого не потребуются огромные мощности. Затем резко, в одно мгновение, затормозить его. Образуется течение высокой интенсивности без всяких гигантских насосов.

Такое течение существует всего лишь секунды, так как сразу после остановки тора замедляется. Но уже этого времени достаточно для проявления динамо, которое технически возможно зарегистрировать, то есть, сама идея оказалась очень продуктивной. Можно выйти на уровень таких мощностей потоков, правда, не стационарных, а импульсных, которые достигались только в гигантских установках других экспериментаторов.

В России сейчас лидирующая научная группа, работающая с самым широким спектром фундаментальных и прикладных задач в области магнитной гидродинамики, существует в ИМСС. Эта тема появилась в Перми еще в Советском Союзе. Сегодня видны потери, понесенные страной в перестройку. Кто-то оказался за рубежом, как Рижский институт гидродинамики. Кто-то из ученых связал свою жизнь с зарубежьем. Какие-то институты сменили тематику, потому что МГД-эксперименты очень дорого стоят.

Однако в Перми на рубеже веков возникла серьезная программа перестройки всей экспериментальной базы Института механики сплошных сред. Это был нетривиальный шаг руководства. Он вылился в то, что на постсоветском пространстве в этой области науки МГД-команда ИМСС осталась единственной, которая покрывает весь спектр работ - от теории до эксперимента. Считается, что в мире существует 6-7 команд, которые определяют состояние этой науки. И группа магнитной гидродинамики, возглавляет которую П.Г. Фрик, в их числе.

ИНТЕРМЕЦЦО

Петр Готлобович Фрик, заведующий лабораторией физической гидродинамики ИМСС УрО РАН, доктор физико-математических наук, профессор. Научные интересы: турбулентность, магнитная гидродинамика, МГД-динамо и космические магнитные поля, турбулентный конвективный теплообмен. Автор трех монографий.

Окончил Пермский госуниверситет, работал в лаборатории физической гидродинамики ИМСС УрО РАН, затем возглавил лабораторию. В 1992-1993 работал в Центре параллельных вычислений Королевского технологического института в Стокгольме, лаборатории динамической метеорологии в Париже, затем вернулся в родной институт, сохранив тесные контакты с целым рядом зарубежных коллективов.

Среди важнейших научных результатов П.Г. Фрика можно отметить построение и исследование каскадных моделей развитых турбулентных течений, исследование скейлинговых свойств турбулентности, разработку новых алгоритмов вейвлет-анализа и приоритетные работы по применению вейвлетов к задачам астрофизической и геофизической гидродинамики, к моделированию развитой турбулентности.

П.Г Фрик - обладатель мегагранта Правительства России 2016 года. Он выступил в роли приглашенного ученого для организации лаборатории теплофизических проблем ядерной и термоядерной энергетики в Национальном исследовательском университете «Московский энергетический Институт». Из 40 проектов, получивших мегагранты, в 33 были представлены зарубежные ученые. Среди семи отечественных ученых П.Г. Фрик был единственным, который из провинции приглашен в столицу.

С начала 1990-х годов никаких денег на научные проекты в России нельзя было достать. В 1992 году был образован МНТЦ (Международный научно-технический центр). Фонд МНТЦ был учрежден в ноябре 1992 года в Москве Международным Соглашением для реализации программы по нераспространению. Фонд координировал усилия ряда правительственных и международных организаций, а также частных компаний, предоставляя бывшим «оружейным» ученым из России и других стран СНГ возможности для ведения научно-технической деятельности в гражданских областях. Сторонами МНТЦ явились Канада, США, Европейский Союз, Япония, Норвегия и Южная Корея (финансирующие стороны)...- так обозначена цель фонда на его официальном сайте.

Лаборатория физической гидродинамики ИМСС представила свою заявку на проект реализации динамо. В ней говорилось: «В последнее время сотрудниками лаборатории разработана недорогая экспериментальная методика реализации динамо-эффекта в лабораторных условиях (Денисов С.А., Носков В.И., Соколов Д.Д., Фрик П.Г., Хрипченко С.Ю. О возможности применения нестационарного МГД-динамо в лабораторных условиях. Труды РАН. 1999. V. 365. N 4. С. 478-480).

ИНТЕРМЕЦЦО

Профессор Соколов Дмитрий Дмитриевич. Окончил Физический факультет МГУ по кафедре математики и аспирантуру в 1975 году с кандидатской диссертацией. Ученик Н.В. Ефимова, Э.Г. Позняка и Я.Б. Зельдовича. В 1983 г. защитил докторскую диссертацию "Поверхности в псевдоевклидовом пространстве", с 1995 г. - профессор кафедры математики Физического факультета.

Область научных интересов: уравнения математической физики со случайными коэффициентами и физика случайных сред; приложения математической статистики в задачах астрономии, геохимии и археологии; теория поверхностей, стохастическая геометрия; космическая электродинамика, теория динамо в случайном потоке.

Автор 6 монографий и более 450 печатных научных работ, член редколлегии журнала "Geophysical and Astronomical Fluid Mechanics", профессор ряда зарубежных университетов, в том числе университета Ньюкасла, университета им. Бен-Гуриона и Парижской обсерватории.

***

Профессор Хрипченко Станислав Юрьевич, ведущий научный сотрудник ИМСС, доктор технических наук. Окончил в 1973 году физический факультет Пермского государственного университета, специализация физическая гидродинамика.

Основные работы посвящены теоретическим и экспериментальным исследованиям электровихревых течений в плоских слоях проводящей жидкости, а так же исследованиям по МГД-перемешиванию и перекачиванию жидких металлов. Разрабатывает МГД-установки для металлургических технологий. 242 научных публикации, 27 патентов и авторских свидетельств.

***

Денисов Сергей Анатольевич, кандидат технических наук. В 1980 году окончил электротехнический факультет Пермского политехнического института.
Научные интересы: разработка магнитоэлектрических машин, магнитные подшипники, инерционные аккумуляторы энергии, магнитная гидродинамика.

По требованию фонда необходимо было представить ряд лиц из числа западных ученых, заинтересованных в предлагаемом исследовании. На языке фонда они назывались коллабораторами, они не являлись получателями средств, но курировали свой интерес в этих работах. Сотрудничество в исследовании МГД-динамо пермякам предложили: Университет Ньюкасла, Великобритания - в качестве совместного численного моделирования генерации магнитного поля в закрученных потоках; МГД-отдел Института исследований безопасности, Forschungszentrum Rossendorf, Германия - в проектировании и конструировании технологических устройств и измерении магнитного поля; Кафедра физики Висконсинского университета, Мэдисон, США и Laboratoire de Physique, ENS, Лион, Франция - в экспериментальном исследовании динамо-эффектов.

Проект был одобрен, в начале 2000-х годов пермские гидродинамики получили средства на проведение эксперимента в размере более миллиона долларов. По тем временам - просто безумные деньги.

Может создаться впечатление, будто фонд швырял деньги направо и налево, лишь бы российские ученые не соблазнялись работой на «оборонку» (П.Г Фрик: Точнее, на таких одиозных правителей, как, скажем, Саддам Хусейн). На самом деле, все, конечно, не так. Нет нужды доказывать, что на Западе деньгами просто так не разбрасываются. Да и солидные научные центры не будут ставить на карту свою репутацию, если не будут уверены в успехе. А в-третьих, научная репутация руководителя группы П.Г. Фрика тоже что-то значит. Причем репутация была не только в магнитной гидродинамике (к которой относится задача динамо), но и теории анализа сигналов и изображений (в том числе всевозможных трассеров космических магнитных полей) и турбулентности. А турбулентность в динамо играет очень важную роль. И тут уместно упомянуть, что в 2015 году П.Г. Фрик представил приглашенную лекцию об особенности магнитогидродинамической турбулентности и ее роли в динамо на крупнейшем международном форуме по турбулентности (European Turbulence Conference), причем это была всего лишь третья приглашенная лекция из России за всю двадцатилетнюю историю этих конференций (не секрет, что российские ученые остаются не в равных условиях с зарубежными коллегами в части публикуемости, признания, цитирования).

ТАЙФУНЫ В БАНКЕ

Но вернемся к динамо. Выбор жидкого натрия хорош еще и тем, что ведет себя точно так же, как и вода. Это снимает многие проблемы. Можно было, не связываясь с взрывоопасным веществом, провести некоторые предварительные исследования. Например, изучить процесс формирования вращающегося потока в торообразной полости. При этом у воды - огромные преимущества. Она прозрачна, значит, можно наблюдать все то, что происходит в потоке. Был создан тор из плексигласа и первой задачей было добиться требуемого интенсивного винтового течения в нем.

...Рассказывают, что П.Г. Фрик читал лекции так, что у многих студентов возникало ощущение, будто после экзамена можно сразу идти заниматься наукой. Наверное, от того, что профессор не останавливал повествование на том, что науке известно, а обрисовывал неисследованные области, не скупился на подробности о том, как ученые, какие конкретно ученые и в каких странах, какими способами, методами и экспериментами пытаются (дальше будет сказано красиво) приоткрыть завесу над тайнами природы. Не надо, впрочем, думать, что ощущения перерастали у каждого в желания. Но те, кому больше по душе были головоломные уравнения Навье-Стокса для несжимаемых жидкостей, чем не менее головоломные тензоры напряжений Пиолы-Кирхгофа для твердых тел, находили дорогу в лабораторию физической гидродинамики. Так произошло с А.Н. Сухановским, выпускником Пермского государственного университета. И если мы теперь несколько больше уделим внимания ему, то будем все же иметь ввиду, что за кулисами оставляем других действующих лиц, мэтров, о которых уже говорили или скажем в свое время.

Тор изготовили в мастерских института из оргстекла. Точность изготовления - до сотых долей миллиметра.

В целом установка представляла собой следующее. Плексигласовый тор с диаметром по центральной оси канала 30 сантиметров жестко закреплен на горизонтальной оси. На этой же оси так же жестко закреплен тормозной диск с суппортом от «Жигулей». Раскручивается этот механизм электромотором до скорости 50 герц (50 оборотов в секунду). Затем - мгновенное, в долю секунды, торможение до полной остановки. Осуществить такое действие ногой, как автомобилисту, не представляется возможным. Поэтому на шток главного тормозного цилиндра обрушивается с порядочной высоты груз весом в 20 кг.

При раскручивании на скорости примерно 20 герц возникает механический резонанс, настолько сильный, что дрожит даже пол. Эту точку надо пройти как можно быстрее, чтобы не разрушилась установка, это обеспечивалось достаточной мощностью раскручивающего электромотора.

Если внутри тора установлен один дивертор, то обязательно надо установить противовес. Подобрать его - тонкая, кропотливая работа. При двух диверторах - они уравновешивались сами.

Время жизни течения, то есть время собственно эксперимента, очень короткое. Нужное течение существует порядка полутора секунд. Результат надо зафиксировать.

- Тогда того, что у нас есть сейчас, не было, - рассказывает А.Н. Сухановкий. - Были бытовые аналоговые видеокамеры. Они снимали происходящее. А потом линейкой на экране телевизора мы замеряли треки. Стоп-кадр - и линеечкой. Для этого пришлось искать телевизор с плоским экраном. Тогда это была редкость. Это же был 1999 год. С тех пор техника ушла несравнимо вперед. Сейчас у нас скоростная видеокамера. Она позволяет получать и измерять изображение с частотой 500 герц. И есть широкие возможности обработки данных.

Чтобы треки были видны, в поток запускали белые полистироловые шарики. Шарики должны быть той же плотности, что и вода. Если они окажутся тяжелее, то при раскрутке тора их отжимает к стенкам. Поэтому в воду добавляли соль, чтобы увеличить ее плотность.

Когда уже вовсю продолжался эксперимент, вернулся из парижской командировки П.Г Фрик. Он вынул из кармана небольшой пузырек и порекомендовал вылить его в тор. Оказалось, тамошние гидродинамики, чтобы увидеть, что представляет из себя структура потока в целом, используют специальные частички - каллироскопические. Это чешуйки, которые получают то ли из чешуи какой-то рыбы, то ли из перемолотой слюды. Особенность чешуек: они всегда выстраиваются вдоль потока и хорошо отражают свет. И когда поток меняет свою структуру, по чередованию темных и светлых пятен видно, что происходит.

Но вернемся к началу. Первым сюрпризом стало то, что вода повела себя совсем не так, как ожидалось. Тор раскрутили, затормозили. Установка остановилась как вкопанная. И экспериментаторы стали с изумлением наблюдать, что происходит. Вода в торе мгновенно «вскипела», превратилась в облако пузырей, с сумасшедшей скоростью несущееся по кругу. Картина интересная, но абсолютно бесполезная. Причину нашли быстро. В воде всегда есть в наличии газы, в частности, в ней растворен и кислород, которым дышат рыбы. В момент торможения происходит огромный перепад давления, образуется эффект кавитации - отсюда и выделение газов, образование пузырей.

Избавиться от газов удалось с помощью вакуума. Прежде, чем залить в тор, воду поместили в герметичную емкость. Вакуумный насос вытянул газ из жидкости.

- При раскрутке тора в течение нескольких минут жидкость движется вместе с тором, - объясняет А.Н. Сухановский. - Она неподвижна относительно стенок тора. Затем производится резкое торможение в течение 0,1-0.2 секунды. Жидкость по инерции продолжает движение. Она набегает на дивертор и начинает вращаться. Если то же самое проделать в цилиндрической трубе, то как раз и получилось бы необходимое спиральное течение. Но так как труба искривлена в форме тора, то возникает совсем другая гидродинамика. Она, между прочим, очень интересная и имеет практическое приложение. Все трубопроводы, какие бы они ни были - квартирные, на предприятиях, на гидроэлектростанциях - имеют кривизну, изгибы и вообще очень сложные формы. Искривленные закрученные потоки встречаются в разных системах. В них возникают вибрации, неустойчивости самые разные. Возможны и опасные эффекты. То есть очень богатая, интересная на эффекты система оказалась. При этом она воспроизводима. Хороша тем, что эксперимент можно воспроизводить многократно.

Но это было все же не то, что требуется. Требуется замкнутая винтовая спираль. Ну, скажем, как взять длинную пружинку и изогнуть ее так, чтобы начало соединилось с концом. А тут течение разваливается, оно не желает оставаться таким хорошим, как надо.

А.Н. Сухановский:

- Эксперимент позволил увидеть, как происходит трансформация течения. Мы увидели, что эта винтовая зона все-таки формируется, но постепенно. При необходимых скоростях нужное течение существует в течение какого-то времени. Точнее так: весь процесс формирования течения- около полутора секунд, а время существования течения нужной конфигурации - десятые доли секунды. Когда ставим второй дивертор, зона формируется и за первым, и за вторым. И канал заполняется быстрее.

Затем эксперименты были проведены на другом торе. Увеличили диаметр до 50 см и толщину «баранки». Если первый тор напоминал велосипедную шину, то второй больше был похож на надутую автомобильную камеру. Для динамо-эффекта нужны большие числа Рейнольдса, и мы уже знаем, что это достигается как увеличением скорости (что не безгранично), так и увеличением размера.

Ну, а далее возникла проблема описания. С помощью экспериментов удалось построить довольно простую математическую модель, которая описывала как меняется скорость течения потока в целом и скорость его вращения, как влияет сопротивление дивертора и шаг его винта, соотношения сечений каналов, какова зависимость скорости от времени. И эту модель стали использовать для расчета магнитного поля.

ИНТЕРМЕЦЦО

Андрей Николаевич Сухановский. Старший научный сотрудник ИМСС, доктор физико-математических наук.

Научные интересы: Магнитная гидродинамика, турбулентность, геофизическая гидродинамика, конвекция. Экспериментальное изучение закрученных потоков в тороидальных каналах. Измерения в оптически прозрачных средах (PIV, StereoPIV, dualPIV, PLIF, теневые методы, и.т.д.). Лабораторное моделирование геофизических течений (общая циркуляция атмосферы, тропические циклоны, полярные вихри, вторичные течения в пограничных слоях, формирование погодных условий на масштабе мегаполиса). Конвекция Рэлея-Бенара.

Учился в пермской школе №9, закончил Пермский госуниверситет, затем аспирантуру в ИМСС УрО РАН.

После эпопеи с водяными торами А.Н Сухановский отдался явлениям, происходящими в атмосфере Земли. Карибы, Куба, Мексиканский залив - зоны, страдающие от тайфунов. Эти последние моделируются в цилиндрической кювете в лаборатории. Тут лучше передать слово автору.

- Предположим есть некий атмосферный вихрь, очень большой, но довольно слабый, скажем со скоростью в несколько метров в секунду. Все мы видим подобные вихревые образования по телевизору каждый день, во время прогноза погоды. Любой вихрь обычно формируется над какой-то подложкой, например над поверхностью океана. Наличие подложки приводит к любопытному эффекту, с которым все хорошо знакомы, но редко обращают на него внимание. Если вы размешаете чай в стакане, то чаинки соберутся в центре. Почему? Неподвижная подложка стремится затормозить вихрь, возникает течение к центру, которое и собирает чаинки. То же самое происходит и на значительно больших масштабах (сотни километров) в атмосфере. Если есть течение к центру, значит будет и его подъем. Воздух над океаном влажный, при его подъеме начинается конденсация, а значит и выделение тепла. Нагрев приводит к тепловой конвекции - нагретый, более легкий воздух поднимается вверх. И вот здесь начинает работать тепловая машина, конвекция усиливает приток влажного воздуха, а это увеличивает поток тепла и так далее. Понятно, что до бесконечности этот процесс роста скорости ветра продолжаться не может, в природе всегда есть какой-то демпфирующий механизм, в данном случае это трение о поверхность океана. Теперь вспомним про начальный слабый вихрь. Что происходит с ним? Дело в том, что если стянуть большой вихрь к центру он резко усиливается, все из нас видели интенсивный вихрь при сливе воды в раковине (сначала он медленный, а по мере уменьшения поверхности воды в ней убыстряется) или схожим образом меняет скорость вращения фигурист: поджал руки и резко раскрутился. Это происходит благодаря сохранению момента импульса. В итоге из большого и неопасного вихря формируется такое грозное явление как тайфун (тропический циклон, ураган), который может привести к совершенно катастрофическим последствиям. Ущерб от тайфунов оценивается в 250-300 млрд долларов в год.

В Перми первым, кто загорелся возможностью смоделировать тайфуны, был Валерий Дмитриевич Зимин, предшественник Петра Готлобовича Фрика на посту завлаба, человек необычайно разносторонний и энергичный. Он был руководителем двух экспедиций в тропическую часть Тихого океана 1988 и 1989 гг. Зимин сумел привлечь талантливого экспериментатора из Пермского университета - Геннадия Павловича Богатырева, и тот путем длительных проб и ошибок сумел создать лабораторную модель тропического циклона. Это вращающаяся цилиндрическая кювета, с нагревателем в центре дна, и с определенным соотношением параметров. Удивительно, но такая относительно простая система позволяет ухватить ключевые особенности тайфунов, что и было показано Г.П. Богатыревым в ряде статей. Во второй половине печально известных девяностых тайфунная тематика в Перми понемногу сошла на нет. Вернулись к ней уже в начале XXI века, когда Галина Владимировна Левина, человек очень неравнодушный к тайфунам, и Петр Готлобович Фрик втянули в это необычайно интересное дело молодую поросль.

- Отталкиваясь от результатов Г.П. Богатырева, - продолжает А.Н. Сухановский, - и обладая значительно более мощным инструментарием - полевыми методами измерений скорости, мы двинулись вперед и шаг за шагом стали отвечать на неразрешенные ранее вопросы. За прошедшее время удалось подробно изучить структуру лабораторного аналога тропического циклона. Сравнение с данными наблюдений показали, что она действительно подобна настоящим тропическим циклонам. Для человека стороннего это может показаться чудом, но в небольшой лабораторной модели можно исследовать формирование и эволюцию интенсивных (в порывах более 100 метров в секунду!) крупномасштабных (порядка 500 километров) вихрей. Дело в том, что достаточно часто реальные крупномасштабные течения (сотни, тысячи километров) и их лабораторные аналоги (до 1 метра) имеют близкую природу. Затем мы показали, что мелкомасштабные вихри - валики, которые формируются в нижнем слое (такие валы обнаружены и в реальных тайфунах) оказывают громадное влияние на теплообмен и развитие циклона. Отдельная непростая задача - убедить метеорологов, а это достаточно закрытое сообщество, в том, что наши результаты способствуют пониманию реальных тропических циклонов. А главное, могут помочь в решении основной проблемы, а именно точному, заблаговременному прогнозу. Предотвратить образование тайфунов, и вообще как-то повлиять на их развитие человек, увы, не может. Мы хоть и цари природы, но далеко не всесильные.

Можно отметить, что статьи Сухановского и его соавторов опубликованы в ведущих журналах метеорологического профиля, в том числе первого квартиля («Quaterly Journal of Royal Meteorological Society» - «Ежеквартальный журнал Королевского метеорологического общества»), что говорит об их высоком научном уровне. Нерешенных задач еще очень много, и у толковых молодых ребят из пермских вузов есть возможность проявить себя и оставить свой след в науке.

На снимках:

1. Я.Б. Зельдович.

2. Магнитное поле Земли.

3. Магнитное поле создается в ядре Земли.

4. П.Г. Фрик.

5. А.Н. Сухановский и водяной тор.
                                          

Продолжение следует:

Музыка науки 2

Музыка науки 3