Новые открытия далеких экзопланет могут изменить наши представления о том, как рождаются и развиваются планеты вообще.
Сразу два свежих исследования, посвященных изучению экзопланет, вызвали большой интерес специалистов. Первое, проведенное канадскими астрономами во главе с Кристианом Мару (Christian Marois), было проведено в расположенной на Гавайях обсерватории Keck и позволило обнаружить уже четвертую планету в системе звезды HR 8799, которая находится примерно в 129 световых годах от Земли.

Планета HR 8799e оказалась настоящим великаном, газовым гигантом наподобие Юпитера, но вдесятеро тяжелее его — как, кстати, и три остальные известные нам планеты этой системы, которые были обнаружены тем же Кристианом Маару два года назад. Однако именно эта оказалась особенно интересной. Она расположена довольно близко к своей звезде — на расстоянии 14,5 а. е. (т.е. в 14,5 раз дальше, чем Земля от Солнца; для сравнения, Сатурн вращается от Солнца на расстоянии 9,5 а. е., а Уран — 19,6 а. е.). Прочие планеты этой системы находятся куда дальше, на 24, 38 и 68 а. е. И эта особенная близость HR 8799e к своей звезде ставит важный вопрос о ее происхождении: на таком расстоянии от массивной, насколько мы можем сказать, газовый гигант сформироваться неспособен.

Теперь, когда мы знаем о плазме немного больше, давайте уделим внимание электрическим свойствам и поведению Солнца. Как было упомянуто выше, пара Солнце-гелиопауза может быть уподоблена гигантскому конденсатору. Вдобавок к постоянному течению тока, солнечный накопитель подвержен эпизодическим разрядкам, известным нам как «солнечная активность». Эти разрядки являются по сути токами Биркеланда, проникающими в фотосферу (яркую и горячую оболочку, окружающую нашу звезду), и создающими солнечные пятна, которые делают видимой более холодную тёмную солнечную материю. Как видно на рис. 27, фотосфера Солнца имеет гранулированную структуру. Эти «гранулы» называют «анодными дугами» или «анодными пучками». В силу того, что все эти пучки имеют одинаковую полярность, нити электрического тока располагаются на определенном расстоянии друг от друга, отсюда и грануляция фотосферы.

Солнечные вспышки или корональные выбросы массы (КВМ) связаны с солнечными пятнами. ^[59] Обычно всплеск солнечной активности приводит к массивному выбросу частиц из недр Солнца (рис. 28). Эти частицы сначала проникают в фотосферу (создавая солнечное пятно), а затем покидают Солнце, обычно в виде вспышек, ^[60] или, в случае достаточно сильного взрыва, в виде КВМ.

Токи Биркеланда и скручивание двойных нитей тесно связаны с другой концепцией: униполярных электродвигателей (также известных как электродвигатели Фарадея). Их принцип действия базируется на силе, генерируемой благодаря взаимодействию электрического тока с магнитным полем (сила Лоренца, также известная как сила Лапласа). Таким образом, в природе два невидимых типа энергии, а именно магнитные поля и электрические токи, могут взаимодействовать между собой и генерировать довольно осязаемую механическую силу — силу Лоренца.

Сила Лоренца пропорциональна электрическому току и силе магнитного поля. Чем сильнее электрический ток и электромагнитное поле, тем сильнее результирующая сила Лоренца. По этому принципу работают униполярные электродвигатели, самая простая разновидность двигателя. Это также основной принцип, по которому работают большинство других электродвигателей.

Сила Лоренца перпендикулярна плоскости, сформированной электрическим током и магнитными полями. Если вы будете держать вашу правую руку, как показано на рис. 24, тогда сила Лоренца (F) будет действовать кнаружи ладони вашей руки, если вы представите, что электрический ток (I) протекает через вашу ладонь в направлении вашего вытянутого большого пальца, в то время как магнитное поле (B) действует вверх, в направлении вашего указательного пальца.

Межзвездная плазма

До недавнего времени космос считался полностью пустым, идеальным вакуумом. Этой точки зрения всё ещё придерживаются в широких научных кругах, хотя это и не совсем верно. Космос не пустой. Он заполнен плазмой. Эта космическая плазма состоит главным образом из очень лёгких молекул: ионов гелия, водорода и электронов, и их концентрация составляет приблизительно одну (ионизированную) частицу на каждый кубический сантиметр. ^[47] Для сравнения, концентрация воздуха в атмосфере составляет приблизительно 10¹³ частиц на кубический сантиметр.

На рис. 19 изображён ток Биркеланда, пересекающий световые годы «пустого» космоса и демонстрирующий тем самым тот факт, что очень низкая концентрация космической плазмы не препятствует возникновению явлений электрической природы. Помните эксперимент Милликена и то, как электромагнитная сила, созданная одним единственным электроном, повлияла на большую часть окружающего его пространства? В космических масштабах электрические свойства плазмы позволяют электрическим токам течь между небесными телами, поскольку плазма является очень хорошим проводником. Это позволяет существовать электрическим взаимодействиям между поверхностью небесного тела и внешним слоем его двойной прослойки, а также взаимодействиям внутри неё.

Согласно Хэннесу Альфвену (Hannes Alfven) и Джеймсу Маккэнни (James McCanney), плазма в космосе электрически практически нейтральна или лишь немного позитивна. Однако в научных кругах имеются некоторые разногласия по поводу электрического заряда (полярности) солнечного ветра. В то время как официальная теория утверждает, что солнечный ветер электрически нейтрален, британский математик и геофизик Сидни Чепмен (Sydney Chapman) заявил ещё в 1930 г., что солнечный ветер состоит из положительно заряженной плазмы. Совсем недавно физик Луис Альварес (Luis Alvarez) ^[48] утверждал, что солнечный ветер проявляет, в общем, положительный электрический заряд. ^[49]Жан Мартен Менье ^[50] (Jean Martin Meunier) также утверждает, что солнечный ветер не является электрически нейтральным и объясняет это следующим образом:

Солнечный ветер как таковой имеет положительный заряд; он состоит из гораздо большего количества протонов h+, чем электронов. Почему? Потому что электроны выбрасываются в галактическое пространство ультрафиолетовым, гамма- и рентгеновским излучением Солнца со скоростью 10 000 - 300 000 км/с (эффект Комптона). Следствие: солнечный ветер (скоростью 300 - 900 км/с) является потоком протонов, стремящийся восполнить потерю электронов. ^[51]

Причина, по которой конденсаторы в состоянии многократно разряжаться и в то же время поддерживать разницу потенциалов между их анодами и катодами, состоит в том, что они подключены к внешнему источнику энергии. Так что же является источником электричества в нашей Солнечной системе? Астрофизик Майкл Лонго (Michael J. Longo) из Мичиганского университета тщательно изучил более чем 40 000 галактик. ^[38] Проведя скрупулезный анализ данных — я избавлю вас от деталей его расчётов, которые вы можете проверить сами в его публикации, — он пришёл к следующему заключению:

Вызывающее тревогу выравнивание точек равноденствия и эклиптики с осью эклиптики сегодня рассматривается как случайность, вызванная расположением эклиптики вдоль дуг прямого восхождения = 180° и 0° возле галактических полюсов. Это не признак какого-либо серьезного систематического отклонения в данных, полученных со спутника WMAP. Это выравнивание может быть объяснено космическим магнитным полем, которое выравнивает циклотронные оси вращения электронов и оставляет след от их мультиполей в реликтовом излучении. ^[39]

Вулканическая активность может быть вызвана внешними шумами, которые не были бы предсказаны детерминированной моделью без их учета, считают ученые УрФУ, говорится в сообщении университета. Результаты исследования, опубликованные в журналах «Nonlinear Processes in Geophysics» и «The European Physical Journal B», показали, что относительно небольшие внешние возмущения, идущие от сторонних геологических процессов, играют важную роль в извержении вулканов.

Профессор Института математики и компьютерных наук (ИМКН) УрФУ, доктор физико-математических наук Дмитрий Александров с коллегами дополнили существующую теоретическую модель взаимодействия жерла вулкана с закрывающей его пробкой, учтя влияние силы трения.

«Моделировать вулканы сложно, потому что геофизические и химические параметры извержений вулканов проявляют высокий уровень неопределенности», — отмечают авторы статей.

Результаты, опубликованные авторами, содержат доказательства того, что вулканическая активность может быть вызвана внешними шумами, которые не были бы предсказаны детерминированной моделью без их учета.

По словам ученых, до тех пор, пока будет невозможно улучшить моделирование динамики вулканов, прогнозирование извержений, скорее всего, так и останется эмпирическим. Проблемой таких моделей является то, что динамика извержения вулкана очень сложна и реализуется с участием не связанных или случайных процессов.

Как уже отмечалось ранее, большая часть Вселенной состоит из плазмы. Это также относится и к Солнечной системе. Таким образом, в такой ионизированной среде электрические заряды присутствуют почти повсюду. В этой главе мы попытаемся разобраться с относительными электрическими зарядами ядер, поверхностей и двойных прослоек различных небесных тел (комет, лун, планет, звёзд и галактик).

Нужно понимать разницу между «относительными» и «абсолютными зарядами». Другими словами, когда мы говорим, что А более позитивно заряжено, чем B, не обязательно означает, что заряд А является абсолютно позитивным, даже в масштабах Вселенной. Это говорит только о том, что заряд А позитивнее заряда B, или менее негативно заряжен, чем В, с которым он взаимодействует.

В конечном счёте, дело именно в этих относительных зарядах, потому что именно их разница приводит к возникновению электрических токов независимо от их абсолютного (позитивного или негативного) заряда. Так как наша задача состоит в том, чтобы лучше понять различие между зарядами поверхности, двойной прослойки и ядра, мы сфокусируемся на относительных зарядах.

Как правило, большинство небесных тел имеют в целом негативный заряд, ^[35] и эти тела обычно окружены более негативно заряженной двойной прослойкой, которая, в свою очередь, окружена ещё более негативно заряженной Галактикой или межзвёздной плазмой. Применив эту концепцию к Солнцу, получается, что в нашей Солнечной системе Солнце — самое позитивно заряженное тело, относительно говоря, хотя его абсолютный заряд негативен, но менее негативен, чем заряд планет, комет, гелиосферы и окружающей его Галактики. Следовательно, планеты и кометы могут рассматриваться как негативно заряженные по сравнению с Солнцем тела.

Помимо очень низкой электрической проводимости, плазма обладает другим свойством, а именно, способностью создавать своего рода «изолирующий пузырь» вокруг заряженных тел:

Ирвинг Ленгмюр обнаружил, что наиболее важным свойством плазмы является её способность электрически изолировать одну её часть от другой. Эта изолирующая стена состоит из двух близкорасположенных слоев, причем один слой заряжен позитивно, а другой негативно. Ленгмюр назвал это двойной оболочкой. Сегодня это называется двойной прослойкой (double layer).

Так как плазма является превосходным проводником, в ней не может происходить значительное падение напряжения, пока через неё протекает электрический ток. Если между двумя участками плазмы значительно падает электрическое напряжение, то между ними формируется двойная прослойка, сдерживающая большую часть электрического напряжения. Другими словами, самое сильное электрическое поле внутри плазмы находится в двойной прослойке. Плазма обладает почти магической способностью изолировать себя от внешних «незваных гостей». ^[25]

Заметьте, что если электрический потенциал космического тела уравновешивается с потенциалом окружающей его плазмы, то изолирующий пузырь исчезает. Это то, что произошло с нашей Луной, которая лишена изолирующего пузыря. ^[26]

Плазма имеет очень специфические физические свойства. Она не является ни изолятором (имеющим очень высокое сопротивление), подобно неионизированному газу, ни суперпроводником (не имеющего сопротивления вообще). Тем не менее, она имеет довольно хорошую проводимость, даже лучше, чем у меди и золота. Обычно электрическое сопротивление плазмы составляет около 30 Ом. ^[21] Для сравнения: типичный импеданс ^[22] меди варьируется в пределах от 300 до 600 Ом. ^[23]

Электрический ток, в т.ч. и ток плазмы, возникает между двумя телами, имеющими различные электрические заряды. В этом случае позитивно заряженное тело (принимающее электроны с целью балансирования заряда) называют «анодом», а негативно заряженное тело (отдающее электроны) — «катодом».

Если разность потенциалов достаточно высока, расстояние между двумя электродами (анодом и катодом) достаточно мало и газ в среде достаточно плотен, то газ ионизируется (то есть разделение заряда высвобождает электроны). Затем начинается балансирование зарядов между двумя телами путем перехода электронов от катода к аноду, или позитивных ионов от анода к катоду (или обоими способами). Это очень распространённое явление. Например, его можно наблюдать в люминесцентных лампах и плазменных шарах.

В плазменных шарах плазменные нити (т.е. потоки электронов и позитивных ионов) тянутся от центрального электрода к стеклу — внешнему электроду — для того, чтобы сбалансировать разницу зарядов. Запомните этот пример, поскольку это очень хорошая аналогия того, что происходит в звёздном пространстве и даже в галактических масштабах.

Падение гигантского астероида на территории полуострова Юкатан, погубившее динозавров и других животных мезозоя, могло вызвать массовые извержения вулканов на плоскогорье Декан в будущей Индии, что добило выживших рептилий и беспозвоночных, говорится в статье, опубликованной в журнале GSA Bulletin.

Большинство палеонтологов и геологов сегодня считают, что последнее массовое вымирание животных на Земле, которое произошло 65,5 миллиона лет назад, было вызвано падением астероида, оставившего за собой гигантский 300 километровый кратер Чиксулуб в южной Мексике. В его падении никто не сомневается, однако его роль в вымирании динозавров и морских рептилий пока остается предметом дискуссий.

К примеру, в 1989 году известный сегодня палеонтолог Марк Ричардс из университета Калифорнии в Беркли (США) изложил альтернативное объяснение вымиранию динозавров - в его представлении, причиной их исчезновения послужили массовые излияния магмы и извержения вулканов на месте современного плоскогорье Декан в Индии, произошедшие примерно в то же время. По его расчетам, подобные события должны происходить раз в 20-30 миллионов лет из-за подъема горячих потоков магмы, так называемых "плюмов", из недр к поверхности Земли.

За последние годы, как рассказывает Ричардс, было найдена масса свидетельств в пользу того, что другие массовые вымирания - великое Пермское вымирание 255 миллионов лет назад, Триасово-Юрское вымирание 200 миллионов лет назад, и недавно обнаруженное второе массовое вымирание в середине Пермского периода - были вызваны излияниями магмы и вулканами.