Ударные волны в космосе

Образование У.в. рассмотрим на следующем примере. Пусть в достаточно длинную трубу, наполненную первоначально неподвижным газом, вдвигается с постоянной скоростью поршень. Газ перед поршнем сжимается, его давление приводит в движение следующий слой. Состояние движения передается в газе со скоростью звука, можно сказать, что в газе распространяется звуковая волна. Поскольку поршень движется в одном направлении, эта волна не состоит из сжатий и разрежений, как волна от колеблющейся мембраны. Просто газ перед поршнем постепенно приходит в движение. Если скорость поршня меньше скорости звука в газе, то звуковые волны уходят от него и постепенно весь газ в трубе начинает двигаться со скоростью, близкой к скорости поршня. Пусть теперь поршень движется со скоростью, превышающей скорость звука. Тогда звуковые волны не успевают уйти от поршня и быстро продвинуть область сжатия газа на большие расстояния. Из-за этого возрастают плотность газа непосредственно перед поршнем, температура газа, а следовательно, и скорость звука, к-рая увеличивается до тех пор, пока не станет возможным перенос области сжатия газа вперед от поршня.

Газ перед поршнем с наступлением этого момента резко делится на две части - одна, прилегающая к поршню, движется, другая остается неподвижной, т.к. она не успевает прийти в движение под воздействием звуковых волн. Неподвижный газ слой за слоем приходит в движение лишь тогда, когда получает толчок от газа, движущегося перед поршнем. Граница между движущимся газом и неподвижным резкая, она представляет собой фронт У.в. Скорость фронта несколько больше, чем скорость поршня, так что толщина слоя сжатого газа и его масса все время растут. Прохождение фронта У.в. резко меняет свойства газа - скачком возрастают его плотность, давление, темп-ра. Поскольку скорость превращения энергии направленного, упорядоченного движения частиц газа в энергию хаотического, теплового движения пропорционально градиентам (перепадам) плотности, темп-ры, скорости, то внутри фронта У.в., где эти градиенты велики, происходит усиленная диссипация (превращение) кинетич. энергии сверхзвукового движения газа в теплоту. Увеличение темп-ры газа за фронтом сильной У.в. пропорционально квадрату ее скорости.

Во внеш. слоях атмосфер звезд, в туманностях, в межпланетной и межзвездной среде градиенты (плотности, темп-ры и др.) малы, поэтому в этих средах диссипация кинетич. энергии не играет заметной роли. Однако во многих космич. явлениях У.в. играют важную роль. Напр., солнечный ветер налетает на земную магнитосферу со скоростью ок. 500 км/с (больше скорости звука в ней), затем он должен внезапно остановиться из-за давления магн. поля Земли. На границе магнитосферы образуется область плотной плазмы с высокой темп-рой и с интенсивной плазменной турбулентностью, к-рая служит передаточным звеном в аномально ьыстрой диссипации кинетической энергии солнечного ветра в теплоту. Если бы скорость солнечного ветрабыла меньше скорости звука (~ 10 км/с), то область сжатия расширилась бы в направлении Солнца и привела бы к перестройке потока и спокойному обтеканию им магнитосферы.

Толщина фронта У.в. определяется диссипативными процессами. В плотном газе (плазме), где молекулярные (атомарные, электронные) вязкость и теплопроводность существенны, толщина фронта У.в. - порядка длины волны свободного пробега частиц. Здесь имеет место непосредственная диссипация кинетич. энергии в теплоту. В более разреженной (бесстолкновительной) плазме кинетич. энергия У.в. не может сразу перейти в теплоту и возникают бесстолкновительные ударные волны.

В силу действия принципа вмороженности магн. силовых линий в вещество (см. Магнитогидродинамика) одновременно со сжатием газа в У.в. увеличивается и напряженность магн. поля. Если поле параллельно фронту и сжатие не сопровождается диссипацией энергии за счет излучения, то возрастание магн. поля определяется соотношением:
,
где и H₁ - плотность газа и напряженность магн. поля перед фронтом У.в., и H₂ - значения этих же параметров за фронтом У.в., - отношение теплоемкостей газа при постоянном давлении и постоянной плотности. При этом для устойчивости фронта У.в. в плазме в магн. полем необходимо, чтобы скорость налетающего на У.в. потока плазмы (если она неподвижна) или скоростьУ.в. в неподвижной плазме была бы больше скорости магнитозвуковых волн (в частночти, альвеновской скорости, см. Плазма).

Увеличенние темп-ры и плотности в У.в. усиливает излучательную способность газа. При этом энергия ищлучения может беспрепятственно уноситься из области фронта У.в. В подобных У.в. с высвечиванием значит. часть кинетич. энергии превращаетсяв энергию излучения, и здесь скачки и H не ограничены пределом, устанавливаемым вышеприведенной ф-лой. У.в. с высвечиванием могут уплотныть газ в межзвездном пространстве в неск. десятков раз. С другой стороны, сильное магн. поле уменьшает сжатие газа в У.в. и, следовательно, уменьшает диссипацию энергии. У.в. с высвечиванием часто встречаются в межзвездном пространстве (столкновения облаков межзвездного газа, движение оболочки, сброшенной новой или сверхновой звездой, и т.п., см. Остатки вспышек сверхновых). Подобные У.в. могут наблюдаться, если они достаточно интенсивны, в форме волокнистых туманностей.

Специфически космич. видом У.в. явл. ионизационные разрывы. На границе между областями межзвездного водорода HI и HII (см. Межзвездный газ) сравнительно резко меняется степень ионизации водорода от почти полной в HII до почти нулевой в HI. Поэтому ионизирующее водород излучение звезд почти полностью поглощается нейтральными атомами в пределах этого переходного слоя. Следовательно, здесь часть энергии, оставшаяся у электронов после их отрыва от атома, превращается в теплоту, нагревая газ и повышает его давление. В свою очередь, это вызывает движение газа через ионизац. разрыв. Исследование ионизац. разрывов проводится теми же методамиЮ что и обычных У.в. Если вблизи зоны HII имеется плотная туманность, то ионизац. разрывы наблюдаются в виде светящихся ободков - римов.

У.в. также возникают в недрах звезд при гравитационном коллапсе, при движении в межзвездной среде сброшенных звездами оболочек, при вспышках на Солнце и на звездах - вспыхивающие звезды типа Т Тельца, пульсирующие переменные звезды, где У.в. сразу переносят энергию из более глубоких слоев наружу. Здесь толщина фронта У.в. очень мала, но зато в этих случаях важно учитывать условия движения У.в. в неоднородной среде. Как правило, при переходе от более плотной к менее плотной среде скорость У.в. увеличивается.

Лит.:
Каплан С.А., Пикельнер С.Б., Физика межзвездной среды, М., 1979; Горбацкий В.Г., Космическая газодинамика, М., 1977.

(С.А. Каплан)