§ 2. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СОЛНЕЧНОЙ АТМОСФЕРЫ

Перенос энергии в атмосфере Солнца

Гигантский газовый шар, каким является Солнце, излучает со своей поверхности огромное количество энергии. Поток излучения идет из недр Солнца, где находятся его источники энергии (см. главу IV).

Кроме переноса энергии посредством излучения, возможен перенос тепловой энергии из недр на поверхность путем теплопроводности или конвекции, когда нагретые газовые массы поднимаются вверх, а холодные, наоборот, опускаются, где снова нагреваются.

Теоретические расчеты показали, что теплопроводность солнечного вещества и конвективное перемешивание не могут быть такими же мощными средствами переноса энергии во внешних слоях Солнца, каким является лучистый перенос. Поэтому полагают, что внешние слои Солнца находятся в состоянии лучистого равновесия, при котором для любого наудачу выбранного объема материи количества переносимого и выносимого наружу излучения (точнее говоря, лучистой энергии) остаются всегда равными. В то же время считается, что газы, составляющие атмосферу Солнца, находятся в состоянии устойчивого расслоения, и это справедливо в той же мере, в какой правильно не замечать слабой конвекции.

Второе предположение, которое делается при теоретическом изучении состояния внешних слоев Солнца, — это гипотеза термодинамического равновесия, применяемая локально, т. е. к отдельным областям Солнца. Гипотеза местного термодинамического равновесия полагает, что для любой отдельно взятой области кинетическое состояние находящегося там вещества приводит к такому распределению энергии между частицами (молекулами, атомами, ионами, электронами), какое полностью соответствует энергетическому состоянию находящегося там излучения, так что и то и другое могут быть описаны одним и тем же параметром, который именуется температурой данной области.

Состояние термодинамического равновесия характеризуется законом Кирхгофа (КПА 391). Если излучательную способность вещества в частоте v, рассчитанную на единицу массы и единицу телесного угла, обозначить через , а поглощательную способность, рассчитанную так же, обозначить через то закон Кирхгофа может быть записан в такой форме:

где — функция Планка (КПА 391), определяющая интенсивность излучения.

При лучистом переносе вещество, участвующее в нем, не является простым передатчиком излучения, а вовлекается в этот процесс весьма сложным образом.

С одной стороны, квант света может быть захвачен атомом или молекулой и тотчас же переизлучен в той же частоте. Это называют процессом чистого рассеяния. Так как кванты света в звезде приходят преимущественно «снизу», из более горячих слоев, а рассеиваются с одинаковой вероятностью в любом направлении, то рассеяние приводит к ослаблению интенсивности излучения.

С другой стороны, захваченный атомом или молекулой квант света может быть переизлучен в совсем другой частоте v, так что рассеяние может приводить к перераспределению интенсивности излучения по частотам. Наконец, квант света, захваченный атомом, может полностью потеряться как квант света, так как его энергия пойдет на увеличение кинетической энергии атома, молекулы или электрона, т. е. перейдет в тепловую энергию. Такой процесс называется истинным поглощением.

Истинное поглощение может происходить, например, в частотах непрерывного спектра, т. е. в любой частоте, когда энергия кванта расходуется на преодоление сил связи атома и электрона при удалении последнего из атома с некоторой конечной скоростью. Другим примером истинного поглощения — на этот раз в отдельных частотах — могут служить удары второго рода, иначе называемые сверхупругими столкновениями, когда столкнувшиеся частицы (атомы, молекулы) после удара обладают большей кинетической энергией, чем до столкновения. Избыток берется из энергии возбуждения обеих или одной из сталкивающихся частиц. Предшествовавшее этому возбуждение произошло от того, что соответствующая частица поглотила квант света из окружающего поля излучения. Разумеется, в равновесном состоянии все процессы подобного рода уравновешиваются, в результате чего создается устойчивый поток излучения «снизу вверх» с распределением энергии по частотам, соответствующим термодинамическому равновесию на данном геометрическом уровне.