Курс теоретической астрофизики
Шрифт:
На рис. 19, б и в приведены профили эмиссионных линий 2 796 Mg II и 3 934 Ca II, весьма похожих на профиль линии L. Спектрограмма с линией 2 796 была получена при ракетных наблюдениях. Эта эмиссионная линия наложена на широкую линию поглощения. Эмиссионная линия 3 934 находится на самом дне очень широкой линии поглощения K и является примером влияния хромосферы на фраунгоферов спектр, о чем шла речь выше. Эмиссионная линия L также наложена на широкую линию поглощения, но профиль последней трудно определить вследствие слабости непрерывного спектра.
Многие линии ультрафиолетового спектра Солнца возникают в переходной области между хромосферой и короной, температура в которой меняется примерно
6. Линия L в спектре Солнца.
Выше мы привели некоторые наблюдательные данные о линии L. Займёмся теперь интерпретацией этих данных.
Эмиссионная линия L возникает в верхних слоях хромосферы, где температура растёт с высотой. В этих слоях атомы возбуждаются электронным ударом и при последующих спонтанных переходах образуются кванты в спектральных линиях. Однако в большинстве случаев выйти беспрепятственно из хромосферы L– кванты не могут, так как оптическая глубина хромосферных слоёв в центральной частоте этой линии велика. Поэтому в хромосфере происходит диффузия L– излучения. Как было выяснено ранее (в § 11), эта диффузия сопровождается перераспределением излучения по частотам внутри линии. При таком процессе преимущественная доля квантов выходит наружу в далёких от центра частях линии, для которых оптическая глубина сравнительно мала. В центральных же частях линии вследствие сильного поглощения выходит наружу меньшая доля квантов. Следовательно, эмиссионная линия может иметь провал в центральной области. Именно такой провал и наблюдается у линии L солнечного спектра.
Для определения теоретических профилей линии L мы можем воспользоваться уравнениями (11.9) и (11.10) с некоторыми изменениями. Указанные уравнения описывают диффузию излучения в спектральной линии с полным перераспределением по частотам при возникновении квантов в линии из непрерывного спектра. В результате решения этих уравнений определяется контур линии поглощения в спектре звезды. Чтобы принять во внимание образование квантов в линии за счёт столкновений, надо ввести в уравнение (11.10) некоторый дополнительный член. Тогда мы получим линию поглощения с усиленной интенсивностью в центральной области или даже линию поглощения с наложенной на неё эмиссионной линией. Очевидно, что такие теоретические профили будут относиться не только к линии L, но и к другим резонансным линиям солнечного спектра (в частности, к линиям H и К Ca II).
Для простоты мы найдём только профиль эмиссионной линии, которая накладывается на линию поглощения. В данном случае свободный член интегрального уравнения (11.14), определяющего функцию S, обусловлен только столкновениями. Так как этот механизм возбуждения линий ослабевает с увеличением оптической глубины, то мы примем, что
g
=
Ce
– m
,
(16.35)
где C и — постоянные. Интенсивность излучения частоты внутри линии, выходящего под углом arccos к нормали, выражается через функцию S формулой
I
(0,)
=
+1
0
S
e
– x
x
d
,
(16.36)
где —
I
(0,)
=
C
+1
1
m
+1
1+m
+1
,
(16.37)
где функция (z) определяется уравнением (11.27).
Уравнение (11.27) может быть легко решено численными методами. В. В. Иванов сделал это при доплеровском коэффициенте поглощения в линии, пренебрегая поглощением в непрерывном спектре. С помощью полученной таблицы функции (z) по формуле (16.37) были определены профили эмиссионных линий. На рис. 20 для примера приведены некоторые результаты для центра диска (=1). По оси абсцисс отложено расстояние от центра линии в доплеровских ширинах, по оси ординат — интенсивность по отношению к центральной интенсивности. Профили построены для значений величины m/, равных , 2, 0,5, 0,3, 0,2, и 0,15, причём линия тем шире, чем меньше эта величина. Мы видим, что теоретические профили эмиссионных линий весьма похожи на профили линии L, полученные из наблюдений (см. рис. 19, а).
Рис. 20
Теория даёт также профили эмиссионных линий на разных расстояниях от центра диска. Оказывается, что при переходе от центра диска к краю центральный провал линии становится глубже, а расстояние между максимумами возрастает. Примерно так же изменяется профиль линии L на диске Солнца и согласно наблюдениям.
Сравнение теории с наблюдениями даёт возможность определить значения параметров C и m. В свою очередь это позволяет найти распределение электронной концентрации и температуры в верхних слоях хромосферы, от которых указанные параметры зависят. Следует, однако, иметь в виду, что при получении формулы (16.37) предполагалось постоянство профиля коэффициента поглощения в хромосфере. В действительности же он меняется с глубиной вследствие изменения температуры.
В более подробной теории образования резонансных линий в спектре Солнца принимаются во внимание различные причины, влияющие на населённость второго уровня атома (см. [5]).
§ 17. Корона
1. Излучение короны.
Корона представляет собой самую внешнюю часть солнечной атмосферы. Изучать корону очень трудно, так как её яркость гораздо меньше яркости неба, обусловленной рассеянием солнечного света в земной атмосфере. Поэтому наблюдения короны приходится проводить во время солнечных затмений, когда излучение диска Солнца не доходит до атмосферы Земли. С целью избавления от рассеянного света неба корону наблюдают также в высокогорных обсерваториях при помощи специальных инструментов — коронографов. Вследствие эпизодичности и кратковременности затмений второй способ наблюдения короны даёт больше сведений о ней, чем первый.
Наблюдения показывают, что количество энергии, излучаемой короной, составляет примерно одну миллионную долю светимости Солнца. С течением времени излучение короны претерпевает заметные изменения (возрастая в годы максимума солнечной активности и убывая в годы минимума).
Спектр короны в видимой области резко отличается от спектра расположенной ниже хромосферы. Как мы помним, спектр хромосферы состоит из ярких линий, являющихся обращёнными фраунгоферовыми линиями (за исключением линий гелия). В то же время корона обладает непрерывным спектром с фраунгоферовыми линиями поглощения. Вместе с тем в спектре короны присутствуют и яркие линии, но они совсем не те, что линии в спектре хромосферы.