Курс теоретической астрофизики

6. Интенсивность радиоизлучения Солнца. Как мы увидим в следующем параграфе, основная часть длинноволнового радиоизлучения Солнца идёт от короны. По измеренным интенсивностям этого радиоизлучения можно определить электронную температуру короны, которая оказывается порядка 10⁶ кельвинов.

Таким образом, надо считать твёрдо установленным, что температура короны — порядка миллиона кельвинов. Для объяснения нагревания короны было высказано несколько гипотез. Наиболее вероятная из них основывается на существовании акустических и магнитоакустических волн, идущих от фотосферы. Эти волны порождаются конвекцией и проходят через верхнюю фотосферу и нижнюю хромосферу почти без диссипации. Однако в верхней хромосфере и короне из-за уменьшения плотности они превращаются в ударные волны, энергия которых быстро диссипирует и переходит в тепло. Так как определённая температура короны устанавливается в результате равновесия между нагреванием и охлаждением, то при теоретическом нахождении температуры должно быть рассмотрено и охлаждение короны. Оно происходит за счёт излучения короны в спектральных линиях, вследствие передачи энергии короны более холодной хромосфере теплопроводностью и при вылете из неё быстрых частиц, уносящих с собой некоторую энергию. Подсчёты показывают, что потеря энергии короной сравнительно невелика. Вследствие этого и механизмы нагревания короны не должны быть мощными.

При построении теории короны вместе с рассмотрением баланса энергии должен быть изучен и баланс массы. В корону поступает вещество из хромосферы и этот процесс компенсируется истечением вещества из короны. Раньше изучали диссипацию частиц из стационарной короны, однако теперь считается, что вся корона растекается. Радиолокацией Солнца было установлено движение газа в короне наружу со скоростями, возрастающими от двух до нескольких десятков км/с. Это движение газа приводит к появлению «солнечного ветра» в межпланетном пространстве.

Следует ещё заметить, что правильная теория короны должна объяснять наблюдаемую её неоднородность. Как показали наблюдения, зелёная и красная линии в спектре короны (с длинами волн 5 303 Å и 6 374 Å, соответственно) возникают в разных областях короны. Так как первая из этих линий принадлежит 𝙵𝚎 XIV, а вторая 𝙵𝚎 X, то естественно считать, что «зелёная» область короны значительно горячее «красной». Оказывается, что температура короны ниже средней в полярной части и выше средней над пятнами и факелами. Большой интерес для теории короны представляют также её различные структурные образования: лучи, «арки», «шлемы» и т.д. Устойчивость таких образований связана, по-видимому, с существованием магнитных полей в короне.

6. Ионизация и возбуждение атомов.

Мы уже говорили о том, что высокая температура короны позволяет понять существование в ней многократно ионизованных атомов. Однако для определения степени ионизации атомов в короне нельзя применять обычную ионизационную формулу Саха, так как в короне отсутствует термодинамическое равновесие. В подобных случаях степень ионизации атомов находится путём рассмотрения тех элементарных процессов, которые ведут к ионизации, и обратных им процессов, т.е. рекомбинаций. В дальнейшем (в гл. V, VI и VII) будут получены формулы ионизации при отсутствии термодинамического равновесия для случая туманностей и оболочек нестационарных звёзд. Сейчас же для случая короны вопрос о степени ионизации атомов мы рассмотрим более кратко (хотя надо иметь в виду, что формулы ионизации для случаев туманности и короны сильно отличаются друг от друга вследствие различий в механизме ионизации).

Рассмотрим сначала для простоты ионизацию атомов водорода. Пусть, как и выше, 𝑛₁, 𝑛⁺ и 𝑛_𝑒 — число нейтральных атомов (в первом состоянии), число протонов и число свободных электронов в 1 см³ соответственно. Ионизация атомов может происходить как при столкновениях (из которых наибольшую роль играют столкновения со свободными электронами), так и под действием излучения. Число этих процессов, происходящих в 1 см³ за 1 с, мы обозначим соответственно через 𝑛₁𝑛_𝑒𝐵 и 𝑛₁𝐷. Обратными процессами являются рекомбинации при тройных столкновениях (без излучения) и рекомбинации, связанные с излучением (как самопроизвольные, так и вынужденные). Число рекомбинаций мы обозначим соответственно через 𝑛_𝑒²𝑛⁺𝐴 и 𝑛_𝑒𝑛⁺𝐶. В стационарном состоянии число ионизаций равно числу рекомбинаций, т.е. выполняется равенство

𝑛₁𝑛

_𝑒

𝐵

+

𝑛₁𝐷

=

𝑛

_𝑒

²

𝑛

_𝑒

𝑛⁺𝐶

.

(17.21)

При термодинамическом равновесии каждый прямой процесс компенсируется обратным процессом. В частности, число ионизаций при столкновениях равно числу рекомбинаций при столкновениях, т.е.

𝑛₁𝐵

=

𝑛

_𝑒

𝑛⁺𝐴

.

(17.22)

Аналогично число ионизаций под действием излучения равно числу рекомбинаций, связанных с излучением, т.е.

𝑛₁𝐷

=

𝑛

_𝑒

𝑛⁺𝐶

.

(17.23)