Гидродинамика Солнца Лекция 1. Солнечная грануляция (granulation) - презентация

1 Гидродинамика Солнца Лекция 1

2 Солнечная грануляция (granulation)

3 Солнечный ветер и корональные выбросы массы

4 Корональный выброс массы (coronal mass ejection)

5 Могут ли на Солнце возникать дорожки Кармана? Справа – мягкий рентген, SXT/Yohkoh, январь 1992

6 Основные характеристики Солнца Спектр. класс G2 1 а.е. = × см = = r m = × г Угл. радиус = в центре диска соответствует 710–734 км r = 6.96 × см = = 109 r E g = 2.74 × 10 4 см/с 2 (на поверхности) L = 3.84 × эрг/с M = 4.74 m (10 пс) T eff = 5780 K T c = 1.6 × 10 7 K

7 Основные характеристики Солнца Состав (% полной массы): водород 68%, гелий 30%, остальные элементы 2% Средняя плотность вещества 1.41 г/см 3, в центре 1.6 × 10 2 г/см 3

8 Основные черты внутреннего строения Солнца

9 Термоядерные реакции в центральной части Солнца: водородный и углеродно-азотный циклы

10 Возникновение конвекции ρ*ρ* ρ ρ * ρ = ρ z z + δz

11 Возникновение конвекции Условие неустойчивости:или Уравнение состояния: При условии баланса давлений (p* = p*) и μ = const: или

12 Возникновение конвекции Условие (критерий) К. Шварцшильда (1906): Показать самостоятельно, что вариации μ не влияют на вид условия Шварцшильда

13 (Необходимое) условие конвективной неустойчивости Другая запись условия Шварцшильда: Обозначим где высота однородной атмосферы (шкала высот scale height) для давления ( Поскольку ), то ad

14 Безразмерный изэнтропический градиент температуры Адиабатический процесс:

15 Лучистая теплопроводность (radiative thermal conductivity) (κ – усредненный по Росселанду коэффициент поглощения на единицу массы) Лучистая температуропроводность (radiative thermal diffusivity):

16 Двоякая роль частичной ионизации увеличение теплоемкости, уменьшение γ и уменьшение прозрачности и χ R, увеличение Области частичной ионизации конвективно наиболее неустойчивы cpcp cvcv γ

17 Теории пути перемешивания (mixing-length theories) Основной параметр: путь перемешивания l ρ = ρ ρ*ρ* ρ ρ * z z + δz

18 Вычисление скорости элемента (parcel) в конце пути перемешивания В верхней точке отрезка (z, z + δz):

19 Вычисление средней конвективной скорости Полагаем для среднего v (по многим элементам) Учет потерь на трение: множитель Стандартное допущение: l = αH p

20 Конвективный поток энергии (convective energy flux) Конвективный поток : Принимаем

21 Уравнение сохранения полного потока энергии Лучистый поток (в приближении лучистой теплопроводности – radiative heat conduction): [χ R – лучистая температуропроводность (radiative thermal diffusivity); κ – коэффициент поглощения (opacity coefficient), рассчитанный на единичную массу] F R + F C = L /4πr 2 = Конвективный поток:

22 Учет неадиабатичности теплового режима всплывающего объема Плотность лучистого потока через поверхность всплывающего объема (d – его линейный размер): Считаем, что конвективный поток энергии уменьшен по сравнению со случаем адиабатичности на величину отдачи тепла всплывающими элементами окружающей среде

23 Учет неадиабатичности теплового режима всплывающего объема Приравниваем f R S = ΔF C q (S – площадь поверхности объема, q – его поперечное сечение): Представляем конвективный поток в виде

24 Учет неадиабатичности теплового режима всплывающего объема

25 Уравнения модели конвективной зоны L /4πr 2 – известные функции T и ρ)

26 Модель конвективной зоны (Витензе)

27 Структурная организация солнечной конвекции

28 Солнечная грануляция

29 Открыта Гершелем (Herschel) в 1801 г. Обнаружение многоугольной формы ячеек – Strebel (1933) Unsöld (1930) связал грануляцию с конвекцией Две альтернативные интерпретации: Siedentopf (1933) – горячие газовые объемы Plaskett (1936) – конвективные ячейки

30 Хромосферная сетка – отпечаток супергрануляционной структуры

31 Допплерограмма, выявляющая супергрануляционную структуру

32 Супергрануляция Обнаружение: Leighton et al. (1962), метод допплеровской спектрогелиографии Горизонтальный размер супергранул ~ 30 Мм Гелиосейсмологические данные (MDI на SOHO): супергрануляционные течения тянутся вглубь на 8 Мм Горизонтальные скорости 200–500 м/с Скорости восходящих течений в центре 50–100 м/с, нисходящих по краям 100–200 м/с Время жизни: у большинства 15–30 ч, иногда 2 сут и более до 4 сут

33 Мезогрануляция Обнаружение: November et al. (1981), метод допплеровской спектрогелиографии Дальнейшее подтверждение: метод локального корреляционного трассирования (local correlation tracking)

34 Гигантские ячейки Simon & Weiss (1968) теоретически предсказали существование 3 или 4 масштабов ячеек (реально наблюдались 2) Bumba с конца 60-х гг. неоднократно отмечал признаки гигантских ячеек в распределении фоновых магнитных полей Первые прямые наблюдения Beck et al. (1998): размеры ячеек 40–50° долготы и < 10° широты

35

36 Литература M. Stix. The Sun. An Introduction. 2nd Ed. Berlin: Springer, С.А. Каплан, С.Б. Пикельнер, В.Н. Цытович. Физика плазмы солнечной атмосферы. М.: Физматлит, P.N. Brandt. Solar Photosphere: Granulation. Encycl. Astron. Astrophys., R. Stein. Solar Photosphere: Mesogranulation. Encycl. Astron. Astrophys., G. Simon. Solar Photosphere: Supergranulation. Encycl. Astron. Astrophys., 2001.

37 Александр Владимирович Гетлинг Тел. дом. раб.: моб: 8 (903) Эл. почта: Веб-страница: