Вторник
23.07.2019
18:49
Квантовая теория процессов, происходящих на Солнце и звездах
              Глава 1
              Глава 2
              Глава 3
              Глава 4
              Глава 5
              Глава 6
              Глава 7
              Глава 8
           Заключение
Форма входа
Поиск
Google перевод
English French German Italian Portuguese Russian Spanish

Квантовая теория процессов, происходящих на Солнце и звездах

ГЛABA 6. ТЕОРИЯ СОЛНЕЧНЫХ ПРОЦЕССОВ.

     Прежде всего, сам собой разрешается парадокс температур солнечной фотосферы и солнечной атмосферы. Оказывается, никакого парадокса нет. Температура солнечной фотосферы 3.810.000К, а температура верхних слоев солнечной атмосферы 1.500.0002.000.000К. Т.е. температура солнечной атмосферы плавно понижается с увеличением расстояния от поверхности солнечной фотосферы.

     Почему Солнце излучает непрерывный спектр, на котором наблюдаются темные фраунгоферовы линии?

     На этот вопрос существует довольно простой ответ. Кванты 7,6 Å., излучаемые солнечной фотосферой, соответствуют максимуму кривой излучения А.Ч. тела, нагретого до температуры 3.810.000К. Но нагретое до такой температуры А.Ч. тело согласно закону Планка излучает кванты длиной волны больше 7,6 Å. и меньше 7,6 Å. Каждый излученный фотосферой квант в процессе многократного переизлучения даст свою серию переизлученных квантов. Таким образом, в результате излучения и многократного переизлучения мы будем регистрировать кванты практически всех длин волн, - т.е. непрерывный спектр. В очень высоких слоях солнечной атмосферы температура уменьшается настолько, ЧТО становится возможным существование атомарных и ионизированных элементов. Эти элементы, находящиеся в атомарном и ионизированном  состоянии, поглощают /переизлучают/ кванты тех длин волн, энергия которых соответствует их электронным переходам со стационарных орбит на возбужденные. Следовательно, на фоне непрерывного солнечного спектра появляются темные фраунгоферовы линии.

     Почему на Солнце наблюдается потемнение к краю?

     Ответ также очень прост /см. рис. 10/. Квант, излученный в сторону наблюдателя из точки а солнечной фотосферы, проделывает путь в солнечной атмосфере  на величину  больше, чем квант, излученный из точки б. Следовательно, вероятность переизлучения у кванта, излученного из точки а больше, чем у кванта, излученного из точки  б. Значит, в результате большего числа переизлучений из точки а квант придет к наблюдателю большей длины волны, чем квант, излученный из точки б. И чем в более коротковолновом диапазоне мы будем наблюдать, тем заметнее будет эффект потемнения к краю.




     Что такое солнечные пятна и какова их природа?

     Чтобы ответить на этот вопрос, сделаем небольшое отступление. Проделаем мысленный опыт. Возьмем какое-либо тело, на¬пример, металлический шар диаметром 10 см и поместим  его в комнату-лабораторию, стены лаборатории выполнены из прозрачного материала, пропускающего кванты всех длин волн, излучаемых телом при нагревании. Представим себе, что в теле аккумулирована энергия, и по нашей команде эта энергия нагреет тело до любой заданной нами температуры. Причем, при нагревании до любой заданной температуры тело будет сохранять свою первоначальную форму - шар диаметром 10 см. У нас есть прибор - оптический пирометр с исчезающей нитью [5], при помощи которого  мы будем определять яркость тела в оптическом диапазоне в зависимости от температуры тела. На поверхности тела установлен датчик температуры, который дает информацию о температуре поверхности тела, какой бы высокой она ни была. Схема опыта изображена на рисунке 11.



     Приступим к проведению опыта. Создадим в комнате-лаборатории вакуум и начнем нагревать тело. Оптическим пирометром будем регистрировать яркость тела в оптическом диапазоне длин волн, а датчик температуры даст нам правдивую информацию о температуре тела, соответствующей той или иной яркости в оптическом диапазоне длин волн. Изобразим свои наблюдения графически /см. рис. 12/.



     В начале опыта, при нагревании тела, его яркость в оптическом диапазоне начинает расти. Все больше и больше орбитальных электронов атомов тела будет участвовать в излучении энергии при переходе из возбужденного состояния в невозбужденное. Затем наступит равновесное состояние, при котором с увеличением температуры его яркость в оптическом диапазоне длин волн перестает расти. Электроны внешних уровней покидают атомы, а электроны внутренних уровней начинают возбуждаться. Далее, при еще большем нагревании тела его яркость в оптическом диапазоне длин волн начинает уменьшаться. Орбитальные электроны атомов тела перешли в свободное состояние, атомы стали частично или полностью ионизированными. Затем при дальнейшем нагревании будет происходить распад самих ядер, следовательно, в оптическом диапазоне излучать стало нечему. При очень сильном разогреве тело стало мощнейшим источником квантов рентгеновского диапазона, но мы их регистрировать не можем, т.к. у нас нет прибора, кроме оптического пирометра с исчезающей нитью, при помощи которого мы способны регистрировать только кванты оптического диапазона. Смысл проведенного мысленно эксперимента - это наглядное объяснение того, что при беспредельном нагревании тела его яркость в оптическом диапазоне сначала растет, а затем, начиная с некоторой температуры, падает. Эту мысль высказывает также замечательный американский астрофизик Д. Мензел в своей книге "Наше Солнце" /см. [6] стр.180/. Цитирую эту мысль: «Газ может перестать светиться, если его температура слишком низка или слишком высока».

     Теперь мысленно представим себе, что мы взяли вещество солнечной фотосферы и начали его беспредельно нагревать от Т=0 до Т=
. При этом будем регистрировать его яркость в оптическом диапазоне длин волн. Характер кривой будет точно такой же, как мы изобразили на рис.12. В начале нагревания до некоторой температуры яркость в оптическом диапазоне длин волн будет плавно расти, потом рост яркости прекратится, а затем яркость начнет плавно падать /см. рис. 13/. На этот график нанесем прямую а, соответствующую яркости при температуре ~6000К и прямую б, соответствующую яркости при температуре 4500К. Прямая а пересечет наш график в двух точках, соответствующих температуре ~6000К и ~3.800.000К. Прямая б  также пересечет наш график в двух точках, соответствующих температуре ~4.500К и ~50.000.000К. Выше было доказано, что температура солнечной фотосферы ~3.800.000К. Появление на солнечной фотосфере долгоживущих пятен, температура которых 4.500К, кажется мало правдоподобным. Следовательно, температура солнечных пятен гораздо выше, чем температура солнечной фотосферы. Из графика /см. рис. 13/ вытекает, что температура солнечных пятен ~50.000.000K.



Примечание автора.
График на рисунке 13 составлен на основе мысленного эксперимента. Так что числовые значения автор поставил для наглядности. Возможно, что в будущем астрофизики-экспериментаторы построят эту кривую в точном соответствии числовых значений: яркость-температура.


     Читатель, наверное, уже понял, что солнечные пятна - это солнечные вулканы. Причем все наблюдательные и экспериментальные данные говорят в пользу этого вывода.

     Например:
     С появлением солнечных вулканов регистрируются выбросы солнечного вещества в высотные слои солнечной атмосферы.
     С появлением вулканов активность Солнца возрастает.
     На фотографиях Солнца в лучах рентгеновского диапазона солнечные вулканы выглядят как яркие пятна на общем темном фоне Солнца. И т.д.


     Так неужели никому не приходило в голову, что солнечные пятна - это солнечные вулканы. Цитирую Д. Мензела /стр. 213 [6] /: «Одно время автор определенно склонялся к такого рода теориям. /Имеется в виду теория солнечных вулканов. Примечание автора /Однако они встречаются с трудностями. Предположим, некоторое количество горячего солнечного газа заключено в невесомую теплонепроницаемую оболочку, слегка нагреем еще этот газ. Тогда вещество расширится и станет легче окружающей среды. При этом наш пузырь, как воздушный шар, станет медленно подниматься к поверхности.

     Используя законы физики и применяя математику, можно проследить этот подъем. Шар медленно расширяется, следовательно, газ в нем охлаждается. Однако оказывается, что это охлаждение сильнее, чем охлаждение окружающей среды, связанное с подъемом вверх. Начиная с некоторого момента, газ в баллоне станет плотнее окружающей среды, и шар начнет опускаться. Таким образом, он попеременно будет то подниматься, то опускаться, пока колебания не затухнут вследствие трения. Поверхности он никогда не достигнет.
Воображаемая невесомая оболочка газового шара практически не влияет на полученный результат, за исключением того, что она удерживает первоначальный газ, не давая ему рассеяться. Из сказанного ясно: нет основания полагать, что горячие газы выходят из глубоких внутренних слоев на поверхность».

     В чем ошибка в расчетах Д. Мензела? Как читатель понял, ошибка кроется в определении температуры газа солнечных недр. Давайте пойдем тем путем, которым шел Д.Мензел, но только имея газ, нагретый до температуры нескольких миллиардов градусов.

Примечание автора.
Ниже читатель поймет, почему автор дал такую оценку температуры газа солнечных недр.

    Газ, нагретый до нескольких миллиардов градусов, - это высокотемпературная плазма, состоящая из ядер атомов и электронов. Как известно, ядра имеют положительный электрический заряд, а электроны отрицательный.

    Свои рассуждения о поведении газа Д. Мензел начал с того, что в результате внутренних солнечных энергетических процессов какой-то объем газа нагрелся более  чем остальные, расширился и начал свое движение по направлению к фотосфере.

     Что происходит при движении высокотемпературной плазмы?

     Прежде чем делать какие-то выводы о поведении плазмы при движении, вспомним школьные опыты о прохождении постоянного тока через два параллельных проводника /см рис. 14 а, б, в /.



    На рисунке 14а показаны два проводника в свободном состоянии, по которым ток не течет. При этом проводники провисли и никак не реагируют друг на друга. На рисунке 14б показано, что по проводникам в одном направлении движется ток, проводники притягиваются друг к другу. На рисунке 14в ток по проводникам движется в противоположные стороны, что приводит к отталкиванию проводников.

     Движение высокотемпературной плазмы есть движение зарядов в одном направлении, что приводит к притягиванию друг к другу одноименных зарядов и отталкиванию разноименных.

    Вначале, когда плазма была неподвижна, ее можно схематично представить в виде смеси ядер атомов и электронов /см. рис. 15/.



     При движении плазмы происходит перераспределение зарядов. Как наиболее компактные многозарядные структуры ядра атомов группируются в центре, а электроны электронным облаком окружат сгруппированные ядра атомов. Причем, между сгруппированными в центре ядрами и сгруппированными вокруг электронами появились силы отталкивания, следовательно, появилось пространство. В результате образованного пространства объем плазмы при движении стал больше объема этой же плазмы, находящейся в состоянии покоя. Но увеличение объема в данном случае образовалось за счет перегруппировки зарядов, а не за счет потери энергии газа на расширение. Следовательно, температура плазмы осталась та же. Вот в чем принципиальное отличие расширения высокотемпературной плазмы от расширения нагретого газа. Средний удельный вес плазменного образования стал меньше среднего удельного веса окружающей плазмы. Появилась выталкивающая сила.

     Далее процесс будет протекать следующим образом. Поскольку движение одноименных зарядов в одном направлении - это есть ток, то вокруг сгруппированных в центре ядер возникнет магнитное поле точно такое же, как и вокруг проводника с током. Сгруппированные рядом электроны будут пронизаны этим магнитным полем и окажутся как бы вморожены в это поле. Т.е. электроны начнут вращаться вместе с магнитным полем вокруг центрального сгустка ядер. При вращении электронов вокруг центрального сгустка ядер образуется такое же магнитное поле, как и в катушке с током. Это поле в свою очередь будет способствовать удержанию центрального сгустка ядер /см. рис. 16/.



     Как видно из рассуждения и рисунка, получается довольно устойчивый вид плазменного образования, средний удельный вес которого меньше удельного веса окружающей плазмы. Это плазменное образование устремляется к поверхности Солнца. По пути к поверхности Солнца оно увлекает за собой новые ядра и электроны. Ядра по магнитным силовым линиям, образованным движением электронов вокруг центрального сгустка, проникнут в центральный сгусток, а электроны будут вовлечены в движение вокруг центрального сгустка ядер. Т.е. процесс создания устойчивого плазменного образования пойдет с нарастанием. По мере увеличения устойчивого плазменного образования по массе и объему, а также увеличения его скорости за счет выталкивающей силы при его движении появятся завихрения плазмы за устойчивым плазменным образованием и уплотнение плазмы перед ним. /см. рис. 17/.



     Эти возмущения плазмы приводят к возникновению новых /дочерних/ устойчивых плазменных образований, которые также начнут свое движение из недр к поверхности Солнца /см. рис. 18/.



     Рассмотрим процессы, которые будут происходить при подходе устойчивых плазменных образований к поверхности Солнца, а затем при выходе этих образований в солнечную атмосферу. Иными словами, рассмотрим процесс образования солнечного вулкана.

     При движении в солнечных недрах с ростом материнского плазменного образования в первую очередь растет его центральный сгусток ядер, а затем растет и окружающая этот сгусток электронная оболочка. Этот процесс сопровождается ростом магнитных полей, удерживающих плазменное образование в компактном сгустке. Затем наступит такой момент, начиная с которого будет увеличиваться масса плазменного образования, а объем его останется прежним из-за все возрастающей величины магнитных полей. Следовательно, начиная с некоторой величины, плазменное образование при его движении будет все больше и больше «тяжелеть» и замедлять свое движение по направлению к солнечной фотосфере. В этот момент дочерние плазменные образования будут только набирать силу /скорость и рост их объема/ и, следовательно, начнут обгонять материнские плазменные образования по пути к фотосфере и первыми достигнут ее поверхности. Все выше приведенные объяснения находятся в полном согласии с наблюдательными данными.

     Как видно из рисунка 19, вначале происходит размывание вещества солнечной фотосферы и унос его в более высокие слои солнечной атмосферы. Этот процесс получил название - образование факела. В процессе размывания вещества фотосферы образуется кратер солнечного вулкана более темный, следовательно, более горячий, чем вещество фотосферы. Т.к. движение плазмы образует магнитное поле /см. рис. 16/, то над кратером постоянно будет регистрироваться сильное магнитное поле, порядка 1000
4500Э. Будут также регистрироваться слабые и сильные вспышки.



      Разберем более подробно возникновение солнечных вспышек.

     Как уже говорилось ранее, первопричиной извержения солнечных вулканов является возникновение устойчивых плазменных образований. В процессе подъема к поверхности Солнца возникает много дочерних устойчивых плазменных образований, часть из которых продолжает свой путь в одном направлении с материнским плазменным образованием, а часть продолжает свой дальнейший путь по другим траекториям. Выход на поверхность Солнца каждого дочернего плазменного образования приводит к возникновению нового кратера, но меньших размеров, чем кратер выхода плазменных образований материнского направления. Возникает группа солнечных пятен. Посмотрим, что будет  с дочерним устойчивым плазменным образованием, выброшенным в солнечную атмосферу. Т.к. давление в атмосфере Солнца гораздо меньше, чем в его недрах, то подъемная сила дочернего устойчивого плазменного образования постепенно будет уменьшаться, пока не станет равна нулю. При трении о солнечную атмосферу скорость дочернего устойчивого плазменного образования будет замедляться, и его магнитное силовое поле не в состоянии будет удержать ядра и ионы в компактном сгустке. Внутренние кулоновские силы ядер разорвут магнитное поле плазменного образования, и под действием кулоновских сил произойдет мгновенный разлет ядер в разные стороны. При этом расширении произойдет потеря энергии ядер, следовательно, понизится их внутренняя температура и произойдет захват ядрами свободных электронов солнечной атмосферы. При переходе электронов из свободных состояний в орбитальные произойдет излучение квантов. Весь описанный процесс происходит почти мгновенно в виде вспышки. Вспышка на Солнце характерна потоком ядер и ионов, СКЛ, которые затем регистрируются датчиками на орбите Земли. Это подтверждает правильность вышеприведенного объяснения. И чем сильнее была вспышка, тем более крупных размеров было плазменное образование, прежде чем оно взорвалось. Как показывают наблюдения, не все плазменные образования взрываются, попадая в солнечную атмосферу. Наиболее крупные материнские плазменные образования оказываются очень устойчивыми и долгоживущими. Они наблюдаются в виде темных "волокон", дрейфующих в солнечной  атмосфере. На фотографиях в лучах рентгеновского диапазона эти волокна выглядят светлыми на темном фоне Солнца. Но иногда бывают случаи взрыва этих долгоживущих "волокон". Как пример взрыва такого волокна приводится фотография эруптивного протуберанца, сфотографированного в лучах H
α 4 июня 1946г. / [1] стр. 45/. Можно только догадываться, какая громадная энергия заключена в таком "волокне".

     Продолжим рассмотрение процесса образования солнечных пятен /солнечных вулканов/. Вслед за первым /головным/ пятном появляется группа пятен - выход дочерних плазменных образований, появление которых также сопровождается факелами, магнитными полями и вспышками. Извержение длится 20
40 дней, после чего жерла солнечных вулканов затягиваются веществом фотосферы. Поднятое вверх вещество фотосферы /факельное образование/ постепенно опускается вниз и смешивается с фотосферным слоем.

     После того, как читатель понял природу возникновения солнечных пятен, понятно стало и то, что температура в недрах Солнца несколько миллиардов градусов. Эта оценка температуры основывается на том, что в верхних слоях солнечной атмосферы иногда регистрировалась температура до 108 К /CM.[1] стр. 626/ Т.к. эта температура была зарегистрирована после вспышки /после расширения плазменного образования/, то естественно предположить, что до расширения температура  этого плазменного образования была на один-два порядка выше. Следовательно, температура солнечных недр 109
1010 К. Чтобы ответить более строго, какова температура солнечных недр, необходимо произвести количественные измерения высокотемпературных зон солнечной атмосферы над солнечными вулканами. Критерием оценки температуры солнечных недр также являются ядра и ионы тяжелых атомов, которые после вспышки достигают орбиты Земли. Для того чтобы "сварить" эти тяжелые ядра, нужна температура более десяти миллиардов градусов. После того как примерно определена температура солнечных недр 1091010 К, вопрос о солнечном нейтрино разрешается сам собой. При таких высоких температурах пробег нейтрино сравним с солнечным радиусом, следовательно, выход солнечных нейтрино ничтожно мал.

     Поняв суть физических процессов, протекающих в солнечных вулканах, нетрудно понять процесс солнечной грануляции.

     Более светлые солнечные гранулы разделены более темными, следовательно, более горячими промежутками. Значит, из солнечных недр постоянно выходит плазма. Поскольку при движении плазмы образуется магнитное поле, удерживающее эту плазму в жгуте, то при прохождении плазменного жгута сквозь вещество фотосферы отсутствует их взаимное перемешивание. Плазменный жгут как бы разрезает вещество солнечной фотосферы. Если солнечные вулканы - это извержение зародившихся в самых центральных областях солнечных недр плазменных образований, то грануляция - это постоянное истечение плазмы из небольших солнечных глубин. На рисунке 20а изображен плазменный жгут. Нa рисунке 20б изображено объединение трех плазменных жгутов при выходе из вещества фотосферы. На рисунке 20в /вид сверху/ изображен выход нескольких плазменных жгутов на поверхность Солнца, т.е. изображена гранула.



     Местоположение этих плазменных жгутов постоянно меняется, следовательно, меняется и картина грануляции солнечной фотосферы.

     Попробуем оценить температуру недр Солнца по уравнению газового состояния /теорема Вириала/. Вириала теорема формулируется следующим образом: для всякого гравитационно связанного тела /системы/ его средняя по времени гравитационная энергия



     Eкин - средняя по времени кинетическая энергия движения частиц тела /системы/. Следует подчеркнуть, что в это выражение не входит внутренняя энергия частиц, например, энергия их вращения. Применение Вириала теоремы в астрофизике обусловлено тем, что она позволяет через величину гравитационной энергии связать массу системы с кинетической энергией частиц. Поскольку гравитационная энергия системы UG по порядку величины составляет - GM2/R, где
      M - масса системы;
      R - ее радиус;
      G - гравитационная постоянная,
а средняя кинетическая энергия системы Екин=MV2/2 ,
     где V2 - средняя квадратичная скорость членов системы, то из формулы /1/ следует 

     При рассмотрении строения звезд Вириала теорема позволяет оценить среднюю температуру звезды. Для этого в формулу /2/ подставляем значение средней квадратичной скорости, выраженное через температуру:
где  m - масса частицы газа,
        k - постоянная  Больцмана;
 тогда из /2/ следует  
     Чтобы узнать температуру недр Солнца, надо в формулу /3/ подставить числовые значения. В этой формуле все величины известны, кроме величины m. Обычно в эту величину подставляют значение массы протона /или какую-то его часть/. Но поскольку температура солнечных недр составляет несколько миллиардов градусов, то при этой температуре скорости частиц приближаются к релятивистским, а значит, при этих скоростях будут иметь место зарядовые взаимодействия между частицами, движущимися в одном направлении. Как указывалось выше, частицы, движущиеся в одном направлении, притягиваются друг к другу, а, следовательно, их можно рассматривать как одну частицу до тех пор, пока эта объединившаяся группа частиц не соударится с другой такой же группой.


     Каково среднее значение n, трудно определить. Как видно из главы 6, это значение может быть очень и очень большим, а, следовательно, и температура солнечных недр может быть очень высокой, достигая десятков и сотен миллиардов градусов.