Зона лучистого равновесия солнца это

ЛУЧИ́СТОЕ РАВНОВЕ́СИЕ

В книжной версии

Том 18. Москва, 2011, стр. 169-170

Скопировать библиографическую ссылку:

• 
• 
• 
• 
• 

ЛУЧИ́СТОЕ РАВНОВЕ́СИЕ, со­стоя­ние сре­ды, при ко­то­ром пе­ре­нос энер­гии про­из­во­дит­ся пре­им. фо­то­на­ми (т. н. лу­чи­стый пе­ре­нос), при­чём темп при­то­ка энер­гии к эле­мен­ту объ­ё­ма за счёт по­гло­ще­ния из­лу­че­ния в точ­но­сти ра­вен тем­пу её от­то­ка за счёт ис­пус­ка­ния из­лу­че­ния. Л. р. име­ет ме­сто то­гда, ко­гда из трёх ме­ха­низ­мов пе­ре­но­са энер­гии в га­зе – лу­чи­сто­го, кон­век­тив­но­го и те­п­ло­про­вод­но­сти – пер­вый яв­ля­ет­ся пре­об­ла­даю­щим. По­ня­тие Л. р. вве­де­но в нач. 20 в. К. Шварц­шиль­дом , по­ка­зав­шим, что ат­мо­сфе­ра Солн­ца (точ­нее, его фо­то­сфе­ра, т. е. те слои, где за­ро­ж­да­ет­ся бóльшая часть из­лу­че­ния в не­пре­рыв­ном спек­тре) на­хо­дит­ся в со­стоя­нии Л. р. Впо­след­ст­вии бы­ло ус­та­нов­ле­но, что Л. р. име­ет ме­сто в ат­мо­сфе­рах боль­шин­ст­ва ти­пов звёзд. Тео­рия Л. р. звёзд­ных ат­мо­сфер по­зво­ли­ла по­нять их строе­ние и ко­ли­че­ст­вен­но ис­тол­ко­вать рас­пре­де­ле­ние энер­гии в не­пре­рыв­ных спек­трах звёзд. Од­на­ко на­хо­ж­де­ние строе­ния ат­мо­сфе­ры – слож­ная не­ли­ней­ная за­да­ча, со­стоя­щая в со­вме­ст­ном рас­чё­те ме­ха­нич. рав­но­ве­сия и оп­ре­де­ле­нии та­ко­го по­ля из­лу­че­ния, ко­то­рое на всех глу­би­нах обес­пе­чи­ва­ло бы по­сто­ян­ст­во пол­но­го по­то­ка (что, как мож­но по­ка­зать, эк­ви­ва­лент­но то­му, что газ на­хо­дит­ся в Л. р.). Эф­фек­тив­ные чис­лен­ные ме­то­ды по­доб­ных рас­чё­тов бы­ли раз­ви­ты в 1960–70-х гг.

Источник

Внутреннее строение Солнца

Знаете ли вы, каково внутреннее строение Солнца? То, что мы можем разглядеть на дневном небе невооруженным глазом – всего лишь часть внешней оболочки звезды. Под ней скрываются самые мощные в Солнечной системе термоядерные процессы и слои плазмы, чья температура достигает десятки миллионов градусов Цельсия. Благодаря этому Солнце является главным поставщиком энергии для Земли и других планет в нашей звездной системе.

Во внутреннем строении Солнца наблюдается четкая зональность. Массивное солнечное ядро является эпицентром термоядерных реакций. В зоне лучистого переноса происходит теплопередача между нижними и верхними слоями солнечной плазмы. Конвективная зона отделяет внутреннюю оболочку Солнца от его атмосферы и передает тепловую энергию путем перемешивания плазменных потоков.

В статье мы опишем подробно каждую из трех зон и процессы, происходящие в них.

Солнечное ядро

Солнечное ядро – самое горячее и активное место в нашей звездной системе. Его размеры занимают четвертую часть всего Солнца, а плотность составляет 150*10 3 кг/куб. м. Температура в центре солнечного ядра достигает 14*10 6 градусов Цельсия.

Ежесекундно путем термоядерных реакций в солнечном ядре образуется порядка 5 млн. тонн элементарных частиц. Это коротковолновые гамма-кванты огромной энергетической мощности. Энергия, возникающая при их образовании, нагревает все остальные оболочки Солнца и распространяется за его пределы в виде света и потоков солнечного ветра. Земля поглощает ничтожно малую часть от всего солнечного излучения – 0,5*10 -9 .

По подсчетам исследователей, водородного топлива для поддержания процессов энерговыделения в Солнце хватит еще на 6,5 миллиардов лет. После окончания запасов водорода звезда перейдет в фазу красного карлика – его оболочки многократно увеличатся в размере, поглотив внутренние планеты Солнечной системы, а ядро разогреется до 100 млн. градусов Цельсия. По окончанию этого периода жизни звезды ее внешние оболочки образуют планетарную туманность, а ядро окончательно оформится в белого карлика, который будет постепенно угасать.

Зона лучистого переноса

В зоне лучистого переноса происходит дальнейшее перераспределение энергии термоядерных реакций ядра. Плотность среднего слоя мало отличается от плотности ядра Солнца. Поэтому перенос энергии может происходить лишь в виде поглощения и излучения квантов электромагнитного излучения. Переизлучение фотонов в зоне лучистого переноса происходит многократно, поэтому первичный ядерный фотон добирается до конвективной зоны за несколько сотен тысяч лет.

Температура в зоне лучистого переноса снижается от 7 до 2 млн. градусов Цельсия по мере удаления от центра.

Конвективная зона

Конвективная зона является границей между внутренними и внешними оболочками Солнца. Плотность частиц здесь гораздо ниже, чем в ядре, и поэтому перераспределение тепла происходит путем перемешивания потоков охлажденной у поверхности и нагретой на глубине плазмы. Данное явление называется конвекцией. Именно оно обусловливает развитие динамо-эффекта и образование магнитного поля Солнца.

Перемешивание плазмы в конвективной зоне – процесс упорядоченный. Она образует шестигранные столбы циркулирующего вещества. Их верхушки образуют грануляции на поверхности фотосферы – нижнего слоя солнечной атмосферы, а некоторые супергранулы заканчиваются в пределах короны Солнца. Скорость конвекции плазмы колеблется от 1 м/с до 1 км/с по мере приближения к атмосфере звезды. В слоях атмосферы звезды перераспределение энергии снова происходит путем лучистого переноса.

Конвективная зона – самая холодная среди внутренних зон Солнца — температура не превышает 5400° С. Толщина области конвекции — около 2*10 5 км. Здесь начинает происходить процесс ионизации атомов водорода и гелия, которые, проходя через оболочки атмосферы и полностью теряя электроны, превращаются в потоки солнечного ветра. Именно они обуславливают космическую погоду, а также северные сияния и магнитные бури на Земле.

Источник

ЛУЧИСТОЕ РАВНОВЕСИЕ

в звёздах — термин, широко используемый в теории строения звёзд для обозначения механич. равновесия всей звезды (или отдельных её частей) в условиях, когда энергия переносится только излучением (см. Перенос излучения).

Распространение излучения в звёздном веществе описывается ур-нием переноса, к-рое устанавливает баланс между изменением интенсивности излучения во времени и пространстве и процессами испускания, поглощения и рассеяния фотонов. В самом общем виде уравнение переноса, учитывающее все особенности этих процессов, приходится решать лишь для самых внеш. разреженных слоев звезды (для звёздных атмосфер), где формируется спектральный состав покидающего звезду излучения. В глубоких внутр. слоях звезды, где сосредоточена осн. часть её массы, с огромной точностью применимо более простое (асимптотич.) решение ур-ния переноса в приближении лучистой теплопроводности.

Во внеш. слоях полностью равновесной звезды обычно отсутствуют к.-л. источники энергии и поэтому Л. р. любого элементарного объёма звёздного вещества означает равенство между значениями поглощённой и излучённой в единицу времени лучистой энергии. В противном случае происходило бы нагревание или охлаждение звёздного вещества и характеристики звезды изменялись бы со временем. Для самых внешних слоев звезды, к-рые в первом приближении можно считать плоскопараллельными, из равенства между поглощаемой и излучаемой энергиями следует постоянство абс. величины вектора потока лучистой энергии Н в пространстве, поскольку вещество звезды лишь передаёт энергию от внутр. слоев к наружным, переизлучая её и оставаясь при этом в стационарном состоянии. Для сферически-симметрич. звезды постоянство Н при заданном его значении и дополнит. заданных значениях полной массы и радиуса звезды, а также хим. состава её внеш. слоев позволяет с помощью ур-ния гидростатич. равновесия рассчитать строение атмосферы звезды и спектр испускаемого ею излучения. Конкретные значения Н и радиуса звезды (с заданными полной массой и хим. составом) находятся из решения задачи о строении всей звезды (т. е. путём построения модели звезды; см. Моделирование звёзд).

Внутри звёзд происходит интенсивное освобождение энергии в термоядерных реакциях. При Л. р. звёздных недр поглощаемая лучистая энергия уже не равна в точности испускаемой: излучённая энергия немного превышает поглощённую — ровно настолько, чтобы отвести излишек энергии, выделенной в термоядерных реакциях. В результате абс. величина Н уже не постоянна, как во внеш. слоях звезды, а изменяется с расстоянием от центра звезды: дивергенция Н(div H )в точности равна энергии, выделяемой посредством термоядерных реакций в единицу времени в единице объёма. При этом звезда находится одновременно как в механич. равновесии (баланс между силами давления и силами гравитации), так и в тепловом равновесии (точное равенство между скоростями выделения и отвода энергии).

На определ. стадиях эволюции звёзд (относительно коротких по времени) термоядерные реакции оказываются неэффективными, но звёзды всё же светят за счёт запасов тепловой и гравитационной энергий. В таких условиях звезда находится лишь в механическом, но не в тепловом равновесии. Поток лучистой энергии оказывается непостоянным, вообще говоря, не только в недрах звезды, но и в её поверхностных слоях.

Матем. формулировка Л. р. основывается на общем ур-нии сохранения энергии, вытекающем пз первого начала термодинамики:

где и р — суммарные уд. энергия и давление вещества и излучения соответственно, — уд. объём, — плотность вещества, F — полный поток энергии, — уд. энерговыделепие ( — энерговыделение единицы объёма), — полная (субстанциональная) производная по времени. Состояние Л. р. соответствует тому случаю, когда вместо F в (1) можно подставить поток лучистой энергии Н. Связь между Н и физ. параметрами среды (темп-рой, плотностью и др.) устанавливается ур-нием переноса излучения. Напр., в широко используемом в теории внутр. строения звёзд приближении лучистой теплопроводности

где — Стефана — Больцмана постоянная, х — непрозрачность звёздного вещества, зависящая, вообще говоря, от Т и (непрозрачность определяет ср. длину пробега фотонов ). Случаю полного (теплового и механич.) равновесия звезды соответствует равенство нулю производных по времени в левой части (1). При отсутствии теплового равновесия эти производные уже не равны нулю и левая часть (1) фактически определяет закон выделения тепловой и гравитационной энергий. Особенно большое значение такой источник энергии приобретает на стадиях эволюции, предшествующих включению термоядерных реакций горения водорода (перед выходом звезды на гл. последовательность Герцшпрунга — Ресселла диаграммы), когда он действует по всему объёму звезды. Его роль очень велика также во внеш. слоях звёзд в случае аккреции на них вещества (напр., в тесных двойных звёздах).

Л. р. нарушается, когда становятся эффективными способы передачи энергии, отличные от переноса излучения, либо когда отсутствует механич. равновесие звезды. Осн. конкурирующим с излучением механизмом переноса энергии является конвекция. Если градиент темп-ры достаточно большой, то Л. р. оказывается конвективно неустойчивым и в звезде возникают области, в к-рых энергия переносится конвективными токами. Такие области наз. зонами конвективного равновесия. У массивных звёзд гл. последовательности с массой имеются конвективные ядра, а у звёзд с массой ( кг — масса Солнца) конвективные ядра отсутствуют и внутр. слои находятся в Л. р., но возникают конвективные оболочки. Имеются также звёзды с конвективными ядром и оболочкой, разделёнными промежуточной зоной Л. р. (примером могут служить красные гиганты).

В плотном веществе белых карликов осн. механизмом передачи энергии оказывается не перенос излучения, а теплопроводность вырожденного газа электронов. При этом, в отличие от случая конвекции, ур-ния, описывающие строение звезды, не претерпевают принципиальных изменений по сравнению со случаем Л. р., поскольку полный поток энергии F в (1), равный сумме потоков лучистой энергии и энергии, переносимой электронной теплопроводностью, можно формально записать в виде (2), подобрав соответствующим образом выражение для .

При отсутствии механич. равновесия (что имеет место в нестационарных звёздах: новых, сверхновых, вспыхивающих и др.) энергия в основном переносится в результате макроскопич. движения звёздного вещества, в частности посредством распространения звуковых и ударных волн.

Понятие Л. р. часто применяется и к вращающимся звёздам [ур-ния (1) и (2) справедливы и в этом случае]. Однако следует учитывать, что, согласно теореме фон Цейпеля (1924), ур-ния Л. р. (1), (2) с F=H, вообще говоря, не совместны с ур-нием гидростатич. равновесия вращающейся звезды (если только не подобран спец. образом закон изменения угл. скорости с расстоянием от оси вращения). Поэтому в общем случае во вращающейся звезде должны возникать макроскопич. потоки вещества, вносящие дополнит. вклад в полный поток энергии F (меридиональная циркуляция).

Лит.: Франк-Каменецкий Д. А., Физические процессы внутри звезд, М., 1959; Соболев В. В., Курс теоретической астрофизики, 3 изд., М.,1985; Тассуль Ж.-Л., Теория вращающихся звёзд, пер. с англ., М., 1982.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Источник