Do napisania tego tekstu trochę wcześniej niż to uprzednio planowałem, skłoniła mnie ostania wizyta na stronie NASA MSFC podczas pisania poprzedniego tekstu o konwekcji. Nie ukrywam, że mile byłem zaskoczony, kiedy pod linkiem Coronal heating nie znalazłem żadnych szerzej rozpisanych hipotez, a tylko wzmiankę o dwóch proponowanych mechanizmach i potem dopisek: This page is under active construction. Return later for more entries.
Oznacza to chyba, że cały mechanizm jest tak naprawdę nieznany i stąd cała pusta strona, jak biała kartka papieru czekająca na zapisanie. Nie jest moim celem tutaj szerzenie mitu, że jestem ekspertem od astrofizyki czy wysokich energii. Chciałbym tylko zaprezentować kilka moich spostrzeżeń, które wydają mi się logiczne i niesprzeczne z podstawami fizyki. Być może spostrzeżenia te okażą się (kiedyś) przydatne.
Pierwsze pytanie, które należy chyba postawić, jest następujące:
- czy fizyka potrzebuje koniecznie jakiegoś specjalnego mechanizmu do wytłumaczenia rozkładu temperatury w koronie Słońca, czy może wystarczy to co wiemy ze standardowej termodynamiki?
Po przeanalizowaniu rozkładów gęstości, temperatury i zmian stosunku liczby elektronów do ionów w poszczególnych warstwach atmosfery Słońca, można dojść do wniosku, że nie musimy wprowadzać żadnego nowego mechanizmu nagrzewania korony słonecznej. Rozkład temperatury jest logiczną konsekwencją znanych juz zasad termodynamiki. Rozważania te przedstawiłem w roku 2007 na Generalnym Zjeździe Europejskiej Unii Geofizycznej w Wiedniu. Artykuł jest do pobrania na academia.edu pod tytułem The Coronal Heating Process .
Tutaj przedstawię tylko skrótowo ciąg mojego rozumowania. Nie da się niestety, jak wstępnie zamierzałem, przedstawić przejrzyście tych wywodów bez kilku wzorów matematycznych. Rozważania byłyby trochę niezrozumiale.
Atmosfera Słońca jak i każda inna atmosfera jest termodynamicznie otwarta od strony przestrzeni kosmicznej. Ciśnienie i temperatura w miarę oddalania się od centrum Słońca spadają. Dzieje się tak aż do wysokości dolnych warstw chromosfery, gdzie temperatura wbrew oczekiwaniom zaczyna powoli rosnąć, a w tzw. strefie przejściowej rośnie dużo szybciej i w koronie osiąga wartości ponad miliona stopni. Zjawisko, które na pierwszy rzut oka mogłoby zaprzeczać zasadom termodynamiki, ale nie musi, co spróbuję tutaj wykazać.
Z podstawowych parametrów fizycznych gazu wynika, że średnia droga między zderzeniami cząsteczek gazu jest odwrotnie proporcjonalna do gęstości liczbowej (N) (liczba cząsteczek gazu na jednostkę objętości) i do dynamicznego promienia czynnego r0. Gęstość liczbowa jest powiązana z gęstością masową przez ciepło właściwe i stałą Boltzmana. Średnia prędkość cząsteczek jest zaś odwrotnie proporcjonalna do masy.
Przez fakt, że liczbowa gęstość cząsteczek zmniejsza się, kierunkowy rozkład średniej drogi między zderzeniami w atmosferze otwartej do przestrzeni kosmicznej wygląda tak, jak to pokazuje poniższy rysunek.
W każdym punkcie atmosfery otwartej w kierunku przestrzeni kosmicznej, każda cząsteczka gazu 'ma trochę więcej swobody' w kierunku mniejszego ciśnienia. Mówiąc obrazowo, w kierunku, gdzie jest "mniejszy tłok". Musimy tutaj jeszcze uwzględnić, że z powodu dużej różnicy masy i dynamicznego promienia czynnego między elektronami i jonami, bardzo różnią się też ich średnie drogi między zderzeniami i średnia energia kinetyczna. Przy dużych ciśnieniach wewnątrz Słońca można z dobrym przybliżeniem przyjąć izotropowy rozkład średniej drogi między zderzeniami. W miarę oddalania się do centrum Słońca różnice długości średniej drogi zaczynają być znaczące.
W tym miejscu należy przypomnieć, że temperatura obszaru gazu definiowana jest jako średnia energia kinetyczna cząsteczek gazu, jak to pokazuje poniższy wzór (1). Przy takim ujęciu temperatury gazu właściwości poszczególnych składników gazu znikają, a pojawia się tylko amorficzna przestrzeń wypełniona uśrednionymi cząsteczkami i rozkład Maxwela znika poza obszarem rozważań.
Nieco inaczej przedstawia się sytuacja, kiedy średnią energię cząsteczek gazu policzymy tak jak to pokazuje wzór (2), gdzie N to suma liczby elektronów i jonów. Efekt matematyczny jest ten sam, ale w tej formie widzimy poszczególne składniki gazu, z ich prędkościami i masami.
Na wysokości punktu 2 (H) ciśnienie i temperatura osiągają wartości, przy których następuje 'wrzenie' i odparowanie jonów, podobnie jak to było w dolnych warstwach chromosfery w przypadku elektronów. Jak widzimy na wykresie, na początku strefy przejściowej przyrost temperatury zwiększa się znacznie, z jednoczesnym gwałtownym spadkiem gęstości. Obydwa procesy rozciągają sie do wysokości punktu (3), od której to wysokości temperatura zaczyna powoli spadać, a spadek gęstości wraca też do wartości zbliżonych do tych sprzed punktu (2).
Powyższy wykres (Fig.2) sporządzony został na podstawie danych liczbowych zebranych w poniższej tabeli pochodzącej z tej samej publikacji.
Ponieważ autorzy opracowania nie przeprowadzili analizy zmian stosunku liczbowego elektronów i jonów, policzyłem te wartości i wstawiłem do tabeli. Poniższy wykres pokazuje rozkład temperatury i stosunek liczbowy elektronów do jonów. Punkty 1, 2, i 3 oznaczają te same wysokości jak na rysunku wyżej (Fig.2).
Na wykresie tym widzimy, że gwałtowny przyrost stosunku elektronów do jonów odbywa się właśnie między wysokościami 1 i 2. Na wysokości punktu 2 zaczyna się 'wrzenie' i odparowywanie (wypompowywanie) najszybszych jonów, które "doganiają" elektrony i stosunek liczbowy Ne do NH ustala się w okolicach 1.
Wzmożona obecność i aktywność "wypompowanych" elektronów w górnych warstwach chromosfery jest już ujeta fotograficznie na zdjęciach Słońca w promieniach Roentgena. Jak wiadomo promienie X powstają przez gwałtowne wyhamowanie elektronów. Mechanizm znany i wykorzystywany w wielu urządzeniach.
Poniższe zdjęcie pokazuje promieniowanie Słońca właśnie w zakresie promieni X. Jasne obszary pokazują zatem rejony intensywnego promieniowania rentgenowskiego, czyli obszary, gdzie elektrony są gwałtownie wychamowywane. Dochodzi tutaj jeszcze fakt, że elektrony i jony na skutek siły Lorenza zawijane są w polu magnetycznym plam słonecznych w przeciwnych kierunkach, przez co prawdopodobieństwo zderzeń i wydzielania promieni X w plamach jest dużo większe. Poniższe zdjęcie pokazuje ten proces dość wyraźnie.
Podsumowując, żeby nie przedłużać już tego wywodu, należy chyba stwierdzić, że w przypadku gazu termodynamicznie otwartego do przestrzeni kosmicznej sama temperatura, czy przyrost temperatury nie jest parametrem, który może jednoznacznie opisać stan badanego obszaru. Przyrost temperatury, jako średniej wartości energii kinetycznej nie musi automatycznie oznaczać, że do badanego obszaru została doprowadzona energia z jakiegoś procesu, który jak widać z literatury (czy z braku tejże) jest dość trudny do zidentyfikowania. Natomiast mechanizm przestrzennego przegrupowania nośników energii kinetycznej może okazać sie pomocny w wyjaśnieniu problemu rozkładu temperatury w atmosferze Słońca.
Łącze pozdrowienia dla wszystkich zainteresowanych tematem
Komentarze