---

<< 4.2 Radioliniya neitral'nogo vodoroda | Oglavlenie | 4.4 Ionizovannyi vodorod i >>

Razdely

• 4.3.1 Ob'emnyi nagrev i ohlazhdenie MZS

---

4.3 Oblaka neitral'nogo vodoroda NI i teplovaya neustoichivost' mezhzvezdnoi sredy

Kak pokazyvayut nablyudeniya, neitral'nyi vodorod ne zapolnyaet ravnomerno mezhzvezdnuyu sredu, a nahoditsya preimushestvenno v vide dvuh faz - v vide otnositel'no plotnyh ( sm) holodnyh ( K) oblakov i razrezhennoi mezhoblachnoi sredy ( sm,  K). Eto sledstvie teplovoi neustoichivosti MZS, vyzvannoi nemonotonnoi zavisimost'yu davleniya ot plotnosti veshestva v usloviyah MZS.

Kachestvenno effekt sostoit v sleduyushem. Veshestvo MZS - ideal'nyi razrezhennyi gaz s davleniem . Temperatura sredy nahoditsya iz resheniya uravnenii teplovogo i ionizacionnogo balansa (sm. nizhe) i yavlyaetsya funkciei plotnosti. V rezul'tate poluchaetsya, chto zavisimost' v usloviyah MZS nemonotonna, naryadu s uchastkami rosta davleniya ot plotnosti est' uchastok, gde davlenie padaet s uvelicheniem plotnosti. Takim obrazom sushestvuet oblast' davlenii, v kotoroi odnomu znacheniyu davleniya sootvetstvuet tri resheniya sistemy uravnenii teplovogo, ionizacionnogo i gidrostaticheskogo ravnovesii s raznymi i . Reshenie 2 na srednem uchastke (gde davlenie padaet s rostom plotnosti) neustoichivo otnositel'no malyh vozmushenii i flyuktuaciya s plotnost'yu nizhe ravnovesnoi budet imet' bol'shee davlenie, chem ravnovesnoe znachenie, i znachit budet rasshiryat'sya do teh por, poka ne dostignet ravnovesnogo znacheniya (reshenie 1). Obratno, flyuktuaciya s plotnost'yu bol'she ravnovesnoi imeet men'shee davlenie, chem ravnovesnoe, i budet szhimat'sya poka ne dostignet ravnovesnogo davleniya pri bol'shei plotnosti (reshenie 3). ^4.6

Dlya rascheta temperatury gaza MZS sleduet rasschitat' nagrev i ohlazhdenie gaza (uravnenie teplovogo balansa).

4.3.1 Ob'emnyi nagrev i ohlazhdenie MZS

Prozrachnost' MZS dlya elektromagnitnogo izlucheniya i bystryh zaryazhennyh chastic (kosmicheskih luchei) opredelyaet specifiku nagreva i ohlazhdeniya gaza. Energiya, rozhdennaya v kakoi-libotochke prostranstva, unositsya elektromagnitnymi kvantami na bol'shie rasstoyaniya, poetomu MZS ohlazhdaetsya iz vsego ob'ema. Dlya harakteristiki ohlazhdeniya ispol'zut ob'emnyi koefficient ohlazhdeniya [erg/sms]. Teploprovodnost' ne sposobna peredat' teplo ot udalennyh drug ot druga istochnikov energii, poetomu nagrev takzhe opredelyaetsya processami, progrevayushimi sredu v bol'shih uchastkah. Dlya harakteristiki nagreva ispol'zuyut koefficient ob'emnogo nagreva [erg/sms]. V teplovom ravnovesii . Osnovnye mehanizmy nagreva gaza

1. Ul'trafioletovoe izluchenie zvezd (fotoionizaciya). Kvant s energiei ionizuet elektron s urovnya , pri etom kineticheskaya energiya obrazuyushegosya svobodnogo elektrona ( - potencial ionizacii s urovnya) pri stolknoveniyah perehodit v energiyu haoticheskih dvizhenii chastic, nagrevaya gaz.

2. Nagrev udarnymi volnami. Udarnye volny voznikayut pri razlichnyh processah, proishodyashih so sverhzvukovymi skorostyami (okolo 1 km/s v usloviyah MZS) (naprimer, pri sbrose obolochek zvezd vo vremya vspyshek sverhnovyh, pri stolknoveniyah oblakov mezhdu soboi i t.d.). Za frontom udarnoi volny kineticheskaya energiya napravlennogo dvizheniya perehodit v haoticheskuyu energiyu dvizheniya chastic, v raschete na odnu chasticu. Pri etom dostigayutsya ogromnye temperatury (do milliardov K v ostatkah sverhnovyh), prichem osnovnaya energiya prihoditsya na dvizhenie tyazhelyh ionov (t.n. ionnaya temperaura). Temperatura legkih elektronov znachitel'no nizhe, no postepenno iz-za kulonovskih vzaimodeistvii proishodit vyravnivanie ionnoi i elektronnoi temperatury. ^4.7

3. Ob'emnyi nagrev gaza pronikayushei radiaciei i kosmicheskimi luchami (osobenno chasticami iz myagkogo konca spektra kosmicheskih luchei). Nagrev osushestvlyaetsya pri kulonovskom vzaimodeistvii zaryazhennyh chastic so sredoi i chrez vtorichnye svobodnye elektrony, obrazuyushiesya pri ionizacii sredy bystrymi chasticami.

4. Ob'emnyi nagrev gaza zhestkim elektromagnitnym izlucheniem (rentgenovskimi i gamma-kvantami). Osushestvlyaetsya v osnovnom vtorichnymi elektronami pri fotoionizacii i pri Komptonovskom rasseyanii. Peredacha energii elektronu pri rasseyanii na ugol
   
   
   
   
   s Tomsonovskim secheniem  sm. Togda skorost' ob'emnogo nagreva plazmy v pole elektromagnitnogo izlucheniya s plotnost'yu energii budet
   
   
   
   

Zamechanie: Processy ob'emnogo nagreva sredy proporcional'ny plotnosti chastic i potoku ionizuyushego izlucheniya, poetomu summarnuyu skorost' ob'emnogo nagreva mozhno predstavit' v vide . Funkciya [erg/s] (nazyvaemaya effektivnost'yu nagreva) zavisit tol'ko ot temperatury i himicheskogo sostava i rasschityvaetsya cherez elementarnye processy vzaimodeistviya izlucheniya i veshestva.

Osnovnye mehanizmy ohlazhdeniya Pochti vo vseh sluchayah ob'emnoe ohlazhdenie MZS proizvoditsya fotonami, dlya kotoryh sreda prozrachna. Teploprovodnost' neeffektivna iz-za malosti gradientov temperatur v bol'shih ob'emah (isklyuchenie - fronty udarnyh voln i granicy faz s rezko razlichayushimisya temperaturami). Ispuskanie kvantov elektromagnitnogo izlucheniya svyazano s binarnymi processami vzaimodeistviya chastic i vsegda proporcional'no kvadratu koncentracii. Ohlazhdenie voznikaet, kogda izluchenie rozhdaetsya za schet teplovoi energii chastic i kvanty sveta uhodyat iz rassmatrivaemogo ob'ekta MZS, unosya energiyu. Ohlazhdenie proishodit fotonami kak spektral'nyh linii (razreshennyh ili zapreshennyh), tak i nepreryvnogo spektra.

1. Svobodno-svobodnoe (tormoznoe) izluchenie. Voznikaet pri dvizhenii elektrona v pole iona. Obrazuetsya nepreryvnyi spektr. Dlya vodorodnoi plazmy ob'emnyi koefficient ohlazhdeniya
   
   
   
   
   (temperatura vyrazhena v Kel'vinah). Polnost'yu ionizovannaya sreda s normal'nym kosmicheskim soderzhaniem elementov imeet .

2. Rekombinacionnoe izluchenie. Pri radiacionnoi rekombinacii unositsya kineticheskaya energiya rekombiniruyushego elektrona , obychno sostavlyayushaya maluyu dolyu energii ispuskaemogo fotona , a ostal'naya chast' energii fotona vydelyaetsya za schet vnutrennei energii obrazuyushegosya iona i v ohlazhdenii sredy uchastiya ne prinimaet. Energopoteri na radiacionnuyu rekombinaciyu sil'noionizovannoi sredy s  K . Pri dielektronnoi rekombinacii^4.8 uhodit teplovaya energiya poryadka potenciala ionizacii sootvetstvuyushego iona.

3. Drugie processy izlucheniya v nepreryvnom spektre. a) Dvuhfotonnoe izluchenie. Voznikaet pri radiacionnom raspade metastabil'nyh urovnei v vodorode i vodorodopodobnyh ionah i 2 urovnei v gelii i geliepodobnyh ionah (raspad drugih metastabil'nyh urovnei proishodit preimushestvenno s ispuskaniem odnogo fotona). Kazhdyi iz fotonov ne imeet fiksirovannoi energii i (v sluchae vodoroda) obrazuetsya nepreryvnoe izluchenie s dlinoi volny bol'she, chem u linii Laiman-al'fa ( A). Takie kvanty ne sposobny vozbuzhdat' vodorod iz osnovnogo sostoyaniya i svobodno uhodyat iz sredy. Vozbuzhdenie metastabil'nyh urovnei proishodit v osnovnom za schet elektronnyh udarov. Dvuhfotonnye raspady vazhny pri formirovanii nepreryvnyh spektrov zon NII i igrayut osobenno bol'shuyu rol' pri ohlazhdenii goryachei kosmicheskoi plazmy s temperaturoi  K (naprimer, v molodyh ostatkah sverhnovyh). b) Obratnoe komptonovskoe rasseyanie. Esli rasseyanie fotona s energiei proishodit na bystrom elektrone s energiei , vazhnym stanovitsya otdacha energii i impul'sa ot elektrona fotonu. Eto legko ponyat', pereidya v sistemu otscheta relyativistskogo elektrona - pri bol'shih Lorenc-faktorah napravlenie padayushego fotona blizko k napravleniyu rasseyannogo fotona, poetomu delaya Lorenc-preobrazovanie energii fotona v sisteme elektrona imeem , dalee pol'zuemsya formuloi effekta Komptona v sisteme pokoya elektrona (shtrihovannoi) (zdes' - ugol mezhdu napravleniem padayushego i rasseyannogo fotona v sisteme pokoya elektrona) ^4.9i nakonec vnov' delaem Lorenc-preobrazovanie k laboratornoi sisteme otscheta . Otsyuda vidno, chto dlya relyativistskih elektronov energiya rasseyannogo fotona , i takim obrazom nizkochastotnye kvanty prevrashayutsya v kvanty zhestkogo izlucheniya. Poterya energii elektrona s Lorenc-faktorom iz-za obratnogo Kompton-effekta v pole EM izlucheniya s plotnost'yu daetsya formuloi
   

   (4.9)

   
   
   Naprimer, v sluchae teplovogo raspredeleniya elektronov s plotnost'yu i temperaturoi imeem i ob'emnoe ohlazhdenie takoi sredy est'
   
   
   
   
   Vyrazhenie v skobkah daet znachenie doli energii, priobretaemoi fotonom pri kazhdom rasseyanii pri .

   Komptonovskoe ohlazhdenie obychno dominiruet v ochen' sil'no ionizovannoi vysokotemperaturnoi plazme vblizi istochnikov rentgenovskogo izlucheniya. Etot mehanizm preobladal v rannei Vselennoi na radiacionno-dominirovannoi faze do momenta rekombinacii.

   Zametim, chto iz-za obratnogo Komptonovskogo ohlazhdeniya nagret' teplovuyu nerelyativistskuyu plazmu odnim lish' izlucheniem s harakternoi energiei nel'zya do temperatur vyshe .

4. Izluchenie v spektral'nyh liniyah. Ohlazhdenie proishodit pri izluchenii kvantov s urovnei, zaselennyh pri vozbuzhdenii elektronnym udarom. Pri rekombinacionnom zaselenii urovnei, kak my poyasnyali vyshe, teplovaya energiya sredy ne umen'shaetsya, t.k. unositsya vnutrennyaya energiya ionov. Spektral'nyi diapazon, v kotorom proishodit osnovnoe ohlazhdenie v liniyah, opredelyaetsya temperaturoi - chem energichnee foton, tem bol'she energii on unosit, no tem bol'she dolzhna byt' temperatura gaz chtoby vozbudit' sootvetstvuyushii perehod:
   

   Tablica. Osnovnye linii ohlazhdeniya MZS

   Temperatura , K	Ohlazhdenie v liniyah
   	Rentgenovskie linii H- i He-podobnyh ionov
   	tyazhelyh elementov
   	Ostatki sverhnovyh - O VII (21.6 A), O VIII (18.96 A)
   	Mezhgalakticheskii goryachii gaz - Si, Fe ( keV)
   	Rezonansnye UF-linii Ne i tyazhelyh elementov do Fe
   	Linii N (v osnovnom Ly)
   	Zapreshennye linii tyazhelyh elementov
   	Dalekie IK-linii pri perehodah mezhdu urovnyami tonkoi
   	struktury osnovnyh termov
   	Vozbuzhdenie i vysvechivanie molekulyarnyh urovnei
   	(v osnovnom molekuly N)
   	Vrashatel'nye perehody molekul CO i vody NO

   
   

5. Ionizaciya elektronnym udarom. Eto specificheskii dlya razrezhennoi sredy bezyzluchatel'nyi process ohlazhdeniya. Teplovaya energiya rashoduetsya na otryv elektrona i zapasaetsya v vide vnutrennei (ne teplovoi) energii sredy. Zatem vysvechivaetsya pri rekombinaciyah. V stacionarnom sluchae zatraty energii na udarnuyu ionizaciyu ravny vnutrennei energii, vysvechivaemoi pri rekombinaciyah.

Zamechanie: Processy ob'emnogo ohlazhdeniya sredy proporcional'ny kvadratu plotnosti chastic, poetomu summarnuyu skorost' ob'emnogo nagreva mozhno predstavit' v vide . Funkciya [erg/s] (nazyvaemaya effektivnost'yu ohlazhdeniya) zavisit tol'ko ot temperatury i himicheskogo sostava i rasschityvaetsya cherez elementarnye processy vzaimodeistviya izlucheniya i veshestva.

Takim obrazom, uravnenie teplovogo balansa priobretaet vid , otkuda nahoditsya ravnovesnaya zavisimot' , i, sledovatel'no, uravnenie sostoyaniya mezhzvezdnoi sredy , kotoroe i ob'yasnyaet nablyudaemuyu stratifikaciyu oblastei NI na holodnye oblaka i bolee tepluyu mezhoblachnuyu sredu.

Otmetim v zaklyuchenie etogo razdela, chto v bol'shinstve perechislennyh processah nagreva i ohlazhdeniya trebuetsya znat' naselennost' urovnei atomov i ionov MZS, poetomu dlya nahozhdeniya ravnovesnoi temperatury sredy trebuetsya sovmestno reshat' uravneniya ionizacionnogo balansa.

---

<< 4.2 Radioliniya neitral'nogo vodoroda | Oglavlenie | 4.4 Ionizovannyi vodorod i >>

Publikacii s klyuchevymi slovami: zvezdy - Mezhzvezdnaya sreda - Kosmologiya - teoreticheskaya astrofizika - astrofizika Publikacii so slovami: zvezdy - Mezhzvezdnaya sreda - Kosmologiya - teoreticheskaya astrofizika - astrofizika
Sm. takzhe: Galaktiki, zvezdy i pyl' 25 samyh yarkih zvezd na nochnom nebe Mestnoe mezhzvezdnoe oblako Chernaya dyra razrushaet zvezdu: animaciya Zvezdy, pyl' i tumannost' v NGC 6559 Animaciya: chernaya dyra razrushaet zvezdu Razlozhenie dalekogo sveta Vse publikacii na tu zhe temu >>