<< Molekuly v molekulyarnyh oblakah | Oglavlenie | Zachem vse eto nuzhno >>

Razdely

• Osnovnye uravneniya
• Nachal'nye usloviya
• Vidy modelei
• Sposoby integrirovaniya

---

Modelirovanie

Osnovnye uravneniya

S matematicheskoi tochki zreniya izmenenie himicheskogo sostava sredy opisyvaetsya sleduyushimi uravneniyami:

i

Zdes' - kolichestvo molekul tipa v edinice ob'ema; verhnie indeksy g i d oboznachayut gazovuyu i pylevuyu fazy sootvetstvenno. Pervyi chlen v uravneniyah (1-2) opisyvaet obrazovanie molekuly v razlichnyh himicheskih reakciyah, vtoroi - ee razrushenie v reakciyah, v kotoryh ona yavlyaetsya odnim iz reagentov. Tretii i chetvertyi chleny opisyvayut obmen molekulami mezhdu gazovoi i pylevoi fazami. Koefficienty i vklyuchayut v sebya vsyu zavisimost' skorostei reakcii ot fizicheskih uslovii v srede - temperatury gaza (pyli), intensivnosti polya izlucheniya, skorosti ionizacii i pr. Kak pravilo, v chislennyh modelyah eti zavisimosti vyrazhayutsya prostymi formulami. Naprimer, dlya neitral'-neitral'nyh i ion-molekulyarnyh reakcii

gde - temperatura gaza, a parametry , i vybirayutsya iz special'noi astrohimicheskoi bazy dannyh.

V nastoyashee vremya dlya modelirovaniya gazofaznyh reakcii naibolee shiroko ispol'zuyutsya bazy dannyh UMIST [8], razrabotannaya v Manchesterskom universitete (Velikobritaniya), i NSM [9], razrabotannaya v Universitete shtata Ogaio (SShA). Oni fakticheski predstavlyayut soboi spiski gazofaznyh himicheskih reakcii s ukazaniem reagentov, produktov i parametrov, neobhodimyh dlya vychisleniya koefficientov . V bazu dannyh UMIST95 vklyucheny 3864 reakcii mezhdu 394 komponentami. Baza NSM sushestvuet v neskol'kih variantah, vklyuchaya bolee 4200 reakcii mezhdu  komponentami. Kak vidno, kolichestvo komponentov v obeih bazah sushestvenno prevyshaet chislo molekul, nablyudaemyh v MZS. Delo v tom, chto daleko ne vse komponenty, uchastvuyushie dazhe v opisannyh prostyh cepochkah, obladayut svoistvami, neobhodimymi dlya generacii nablyudaemogo izlucheniya. Tem ne menee bez nih funkcionirovanie mezhzvezdnogo "himicheskogo reaktora" nevozmozhno. Poetomu i prihoditsya vklyuchat' v bazy dannyh dopolnitel'nye molekuly.

Inogda bolee udobnoi dlya nablyudenii okazyvaetsya ne sama molekula, a ee izotopomer, to est' molekula, v kotoruyu vhodit neosnovnoi izotop odnogo iz atomov, naprimer CO. Obychno schitaetsya, chto himiya izotopomera ne otlichaetsya ot himii osnovnoi molekuly. Isklyuchenie sostavlyaet deiterii: skorosti reakcii, v kotoryh prinimayut uchastie deiterirovannye molekuly, mogut zametno otlichat'sya ot skorostei reakcii s temi zhe molekulami, soderzhashimi obychnyi vodorod. Esli v modeli predpolagaetsya issledovanie deiterirovannyh molekul, krome obychnyh reakcii v nee neobhodimo vklyuchit' dopolnitel'nye reakcii deiterievoi himii.

K sozhaleniyu, parametry reakcii, vklyuchennyh v astrohimicheskie bazy dannyh, redko izvestny tochno, to est' izmereny v laboratorii pri usloviyah, hotya by otdalenno napominayushih usloviya v molekulyarnyh oblakah. Kak pravilo, "laboratornye" znacheniya parametrov prihoditsya ekstrapolirovat' na znachitel'no bolee nizkie mezhzvezdnye znacheniya plotnosti i temperatury. Inogda parametry odnoi reakcii ocenivayut po parametram drugoi, predpolozhitel'no blizkoi po tipu reakcii. Poetomu ne udivitel'no, chto sovremennye modeli, v celom, uspeshno predskazyvayushie himicheskii sostav molekulyarnyh oblakov, obladayut ryadom zametnyh nedostatkov, iz kotoryh naibol'shee vnimanie v poslednee vremya vyzyvaet problema otsutstviya v temnyh MO vody i molekulyarnogo kisloroda. Bol'shinstvo gazofaznyh himicheskih modelei predskazyvaet vysokoe soderzhanie etih molekul - poryadka dlya O i dlya vody. Odnako nablyudeniya s pomosh'yu kosmicheskogo teleskopa SWAS dokazali, chto soderzhanie vody v plotnyh yadrah zaklyucheno v predelah ot do  [10]. Chuvstvitel'nost' etih zhe nablyudenii k otnositel'nomu soderzhaniyu molekulyarnogo kisloroda opredelyalas' verhnim predelom ; s ego uchetom ni v odnom iz issledovannyh plotnyh yader molekulyarnyi kislorod ne obnaruzhen. Ne isklyucheno, chto svoyu rol' v nablyudaemom otsutstvii molekul HO i O igraet ih akkreciya na pyl'.

Pomimo sobstvennyh svoistv reagentov skorost' reakcii mezhdu dvumya molekulami v gaze opredelyaetsya srednei chastotoi ih stolknovenii, kotoraya mozhet byt' ocenena iz termodinamicheskih soobrazhenii. Situaciya s poverhnostnymi reakciyami bolee slozhnaya. Chtoby dve molekuly mogli vstupit' v reakciyu na poverhnosti pylinki, oni dolzhny, vo-pervyh, popast' na poverhnost' odnoi i toi zhe pylinki; vo-vtoryh, nahodit'sya tam dostatochno dolgo, chtoby, diffundiruya po poverhnosti, uspet' priblizit'sya drug k drugu do togo, kak processy desorbcii otorvut ih. Eto, v chastnosti, oznachaet, chto samo ispol'zovanie uravneniya vida (2) dlya vychisleniya skorosti poverhnostnyh reakcii ne vpolne pravomochno i vmesto nego dolzhny ispol'zovat'sya statisticheskie metody, uchityvayushie diskretnost' poverhnostnyh processov. K sozhaleniyu, effektivnoi i obosnovannoi zameny uravneniyu (2), kotoruyu mozhno bylo by ispol'zovat' v himicheskih modelyah, poka net, hotya raboty v etom napravlenii vedutsya. Poka zhe v bol'shinstve modelei ispol'zuetsya uravnenie (2) s koefficientami, rasschitannymi v rabote [11] na osnove priblizhennyh predstavlenii o podvizhnosti molekul na poverhnosti pylinok.

Nachal'nye usloviya

Dlya integrirovaniya differencial'nyh uravnenii (1-2) neobhodimo ukazat' nachal'nye usloviya. Kak pravilo, pri modelirovanii protozvezd polagayut, chto v nachal'nyi moment vremeni issleduemyi ob'ekt sostoit tol'ko iz atomov ili atomarnyh ionov. Isklyuchenie obychno delaetsya dlya vodoroda, kotoryi schitaetsya srazu molekulyarnym. Inogda takzhe predpolagaetsya, chto chast' atomov ugleroda i kisloroda iznachal'no svyazana v molekulu SO. V bazu dannyh UMIST vklyucheny sleduyushie atomy: H, He, C, N, O, Mg, Na, Fe, S, Si, P i Cl. Ih obshee soderzhanie v mezhzvezdnoi srede izvestno dovol'no horosho po nablyudeniyam Solnca i issledovaniyam meteoritov. Standartom v nastoyashee vremya schitaetsya solnechnyi himicheskii sostav, opredelennyi Andersom i Grevesse [12] i ispravlennyi v [13]. On priveden v pervom stolbce tab. 2. Odnako real'nyi himicheskii sostav mezhzvezdnogo gaza otlichaetsya ot etih znachenii, poskol'ku znachitel'naya dolya nekotoryh elementov vhodit v sostav pylinok i ne uchastvuet v gazofaznyh himicheskih reakciyah. Vo vtorom i tret'em stolbcah tab. 2 privodyatsya primernye nachal'nye soderzhaniya elementov dlya dvuh himicheskih modelei. Nachal'nyi himicheskii sostav iz raboty [14] yavlyaetsya primerom tak nazyvaemogo himicheskogo sostava s nizkoi nachal'noi metallichnost'yu: soderzhanie metallov v nem po sravneniyu s solnechnym ponizheno na neskol'ko poryadkov. V rabote Bergina i dr. [15] vse metally i uglerod polagayutsya iznachal'no ionizovannymi.

Vazhnym s tochki zreniya himicheskogo modelirovaniya faktorom yavlyaetsya zadannoe v elementnom sostave otnoshenie soderzhanii ugleroda i kisloroda C/O. Esli eto otnoshenie men'she edinicy, kak v privedennyh primerah, prakticheski ves' nalichinyi uglerod okazyvaetsya svyazannym v prochnuyu molekulu SO, a v gazovoi faze ostaetsya svobodnyi kislorod, chto privodit k aktivizacii himicheskih reakcii s ego uchastiem. Esli zhe po kakim-to prichinam uglerod bolee obilen, chem kislorod, v gazovoi faze ostayutsya nesvyazannye atomy S, chto privodit k formirovaniyu drugogo molekulyarnogo sostava. Podrobno rol' elementnogo sostava v himicheskom modelirovanii obsuzhdaetsya, naprimer, v rabotah [9,16].

Vidy modelei

Posle togo kak zadany fizicheskie usloviya i opredelen nachal'nyi himicheskii sostav, mozhno pristupat' k integrirovaniyu sistemy uravnenii (1-2). Pervye himicheskie modeli byli stacionarnymi: proizvodnye v uravneniyah (1-2) priravnivalis' k nulyu, a poluchennaya sistema algebraicheskih uravnenii reshalas' otnositel'no ravnovesnogo soderzhaniya razlichnyh molekul. Odnako nablyudatel'nye dannye ukazyvayut, chto himicheskii sostav molekulyarnyh oblakov zachastuyu dalek ot ravnovesiya, i potomu dlya ego issledovaniya neobhodimy nestacionarnye modeli. V zavisimosti ot trebuemoi pravdopodobnosti i celi issledovaniya model' mozhet stroit'sya kak dlya fiksirovannyh, tak i dlya menyayushihsya so vremenem fizicheskih uslovii. Zakon, po kotoromu zavisyat ot vremeni plotnost' gaza i temperatura, mozhet zadavat'sya kak proizvol'no, tak i na osnove gidrodinamicheskih vychislenii (sm., naprimer [17,18]). Pri etom mozhet modelirovat'sya himicheskii sostav kak odnoi tochki oblaka (obychno central'noi), tak i nabora tochek, naprimer, raspredelennyh po radiusu. Nakonec, modelirovanie himicheskoi i dinamicheskoi evolyucii oblaka mozhet osushestvlyat'sya odnovremenno i samosoglasovanno (sm., naprimer [19,20]).

Sposoby integrirovaniya

Sistema differencial'nyh uravnenii (1-2), kak pravilo, yavlyaetsya zhestkoi (s matematicheskoi tochki zreniya eto oznachaet, chto u ee yakobiana est' sobstvennye chisla s bol'shoi otricatel'noi veshestvennoi chast'yu), poetomu dlya ee resheniya ispol'zuyutsya special'nye chislennye metody. Nekotorye iz nih, naprimer LSODE i VODE, realizovany v vide obshedostupnyh programm na FORTRANe.

---

<< Molekuly v molekulyarnyh oblakah | Oglavlenie | Zachem vse eto nuzhno >>

Publikacii s klyuchevymi slovami: zvezdoobrazovanie - himicheskii sostav zvezd Publikacii so slovami: zvezdoobrazovanie - himicheskii sostav zvezd
Sm. takzhe: IC 348 i Barnard 3 M16: stolpy sozidaniya Vybrosy iz protozvezd v Zmee CG4: globula i galaktika NGC 604: gigantskie zvezdnye yasli NGC 7714: vspyshka zvezdoobrazovaniya posle stolknoveniya galaktik Tumannost' Konus ot teleskopa imeni Habbla Vse publikacii na tu zhe temu >>