第四章 太陽光球

1、第四章、太陽光球內(nèi) 容 提 要4-1 光球概念4-2 幾種平衡態(tài)4-3 一般輻射轉(zhuǎn)移方程及其形式解4-4 臨邊昏暗、連續(xù)吸收及光球模型4-5 譜線輻射轉(zhuǎn)移方程、選擇吸收和譜線源函數(shù)4-6 譜線的加寬機制4-7 真吸收因子、譜線輪廓及其應(yīng)用4-1 光球概念幾個定義輻射強度：通過輻射場中某點與某方向垂直的單位面積在單位時間、單位立體角和單位波長中的能量。單位為erg.cm-2.s-1.m-1.sr-1?？傒椛鋸姸?， 平均輻射強度， 積累輻射強度：幾個定義發(fā)射系數(shù)：單位質(zhì)量的介質(zhì)在單位時間內(nèi)沿某一給定方向單位立體角所輻射的在波長為的單位波長間隔中的能量。其對輻射強度的貢獻：吸收系數(shù)：單位強度的輻射通

2、過單位質(zhì)量的介質(zhì)，經(jīng)過單位長度后的衰減量，稱為單位質(zhì)量的吸收系數(shù)或不透明度。其對輻射強度的貢獻：輻射的發(fā)射和吸收衰減幾個定義光學深度：某一層物質(zhì)對波長為的輻射的總的吸收程度。為一無量綱的量。圖. 輻射的純吸收衰減光子的平均自由程：純吸收：光子與原子兩次碰撞之間的自由行程。經(jīng)過一個光子的平均自由程，輻射強度減小 e 倍。幾個定義大氣標高： 考慮處于重力場中的靜力平衡大氣，滿足平衡方程：大氣標高： 假設(shè) g, , T 與 r 無關(guān)：經(jīng)過一個大氣標高，壓力減小 e 倍。光球的概念光球：太陽光球指對太陽連續(xù)輻射而言，太陽大氣由完全不透明變?yōu)橥耆该鞯倪^渡層。光球之下：光球中：光球之上：光球?qū)訛樘栞椛?/p>

3、的有效發(fā)射層。在可見光波段，該層的厚度只有100-200公里；在紫外以及紅外波段，也只有500-600公里。從輻射功率看，地面接收的太陽輻射幾乎全部來自光球。輻射無法被觀測到。輻射基本不再被吸收。習題如圖：一平面等溫重力分層的理想氣體，其底部的壓力為P0、密度為0，輻射強度為 。重力加速度g、平均原子量、吸收系數(shù)均為常數(shù)。令大氣標高H和光子平均自由程H分別為如果僅考慮純吸收過程，試將高度h處的輻射強度表示為H和H的函數(shù)，計算無限高處的輻射強度，并由此說明采用大氣標高作為光子平均自由程參考值的意義。4-2 幾種平衡態(tài)熱動平衡熱動平衡：體系中的各種粒子和光子相互之間已經(jīng)充分的發(fā)生相互作用，它們的各

4、種能量狀態(tài)分布處于統(tǒng)計上的最可幾分布。體系的化學組成和總能給定后，最可幾分布就唯一確定，并且只與體系的溫度有關(guān)?？讼；舴蚨桑浩绽士硕桑翰柶澛桑核_哈定律：處在不同電離級次態(tài)的原子數(shù)的分布規(guī)律。局部熱動平衡局部熱動平衡：光球內(nèi)任一小體積之內(nèi)可以用單一溫度來描述輻射場和物態(tài)，小體積元中的粒子和光子的能態(tài)分布由該溫度給定的統(tǒng)計上的最可幾分布。但溫度本身是空間的函數(shù)。要求微觀特征長度（時間）（如粒子和光子的平均自由程）遠小于各種宏觀參量（溫度、壓力、密度等）變化的宏觀特征長度（時間）（如大氣標高）。嚴格意義上，太陽光球并不處于局部熱動平衡狀態(tài)。如光子的平均自由程就和大氣的標高相當。其它平衡統(tǒng)計

5、平衡：從統(tǒng)計上，某能級原子的產(chǎn)生率等于該能級原子的損失率。又被稱為動態(tài)平衡。能量平衡：任一體積元在任何時間內(nèi)獲得的能量等于其釋放的能量。輻射平衡：任一體積元在任何時間內(nèi)吸收輻射的能量等于其發(fā)出輻射的能量。吸收輻射的能譜和發(fā)射譜線的能譜可以不同。在太陽光球，能量交換的主要方式是通過輻射進行的，因此可以認為光球處于輻射平衡態(tài)。光球之上，一般不能采用熱動平衡或局部熱動平衡假設(shè)。4-3 一般輻射轉(zhuǎn)移方程及其形式解輻射轉(zhuǎn)移方程。方程的形式解（或通解）。解的物理意義。太陽表面的輻射強度。輻射轉(zhuǎn)移方程輻射轉(zhuǎn)移：輻射由太陽內(nèi)部向外不斷被吸收后，又發(fā)射，從而向前傳遞（轉(zhuǎn)移）的過程。圖. 輻射的發(fā)射和吸收衰減能源

6、函數(shù)輻射轉(zhuǎn)移方程：熱動平衡時，有光學深度形式解兩邊同時乘以因子或沿輻射傳播方向自光深原點到光深為 的點積分，得形式解物理意義第二項：沿輻射方向上的介質(zhì)中各點，介質(zhì)本身輻射并經(jīng)過衰減后的貢獻。第一項：入射束對光深為 處的輻射貢獻，由于介質(zhì)有吸收而乘以衰減因子太陽表面的輻射強度對太陽的觀測者，一般定義光深原點在觀測者所在位置，光深的計算為從觀測者向太陽球體中心逐漸增加。由于光球之上，光子的平均自由層非常大，光球?qū)又蠚怏w對光學深度的貢獻可以忽略，因此有對太陽光球，其厚度遠小于太陽半徑，可以近似為平面平行層。觀測示意圖， 為日心角距。太陽光球的平面平行層假設(shè)。光球中的輻射轉(zhuǎn)移方程。與求解一般輻射轉(zhuǎn)移

7、方程的形式解類似，并考慮太陽內(nèi)部并不存在一個輻射強度為無限大的輻射源，可得太陽表面日心角距處的輻射強度形式解為：即：太陽表面輻射強度為從觀測者所在位置向日心，沿著視線方向上各點輻射經(jīng)過衰減后的貢獻和。分析日心角距觀測到的輻射主要來自于sec=1層次的貢獻。對固定波長，觀測不同的日心角距相當于觀測到不同的深度。固定觀測的日心角距，但取同一譜線的不同波長觀測時，采用線心觀測到光球的較上層，采用線翼觀測到光球的較下層。建立了輻射強度I( )和源函數(shù)S( )的聯(lián)系，由此可以分析光球的物理性質(zhì)。4-4、臨邊昏暗、連續(xù)吸收及光球模型臨邊昏暗臨邊昏暗的物理解釋臨邊增亮臨邊昏暗規(guī)律太陽低層大氣模型臨邊昏暗臨邊

8、昏暗：用某波段連續(xù)光譜觀測太陽表面時，整個太陽圓面并不是同一亮度，而是亮度從中心向邊沿逐漸減弱.物理解釋日面中心的輻射來自于較深的層，而邊緣的輻射則由較外層發(fā)出，前者具有較高的溫度，故日面中心較亮，而邊緣較暗。c p l臨邊增亮臨邊增亮：用某波段連續(xù)光譜觀測太陽表面時，整個太陽圓面亮度從中心向邊沿逐漸增強。波段：臨邊昏暗：紫外、可見光及紅外波段(1600)臨邊增亮：極紫外、X波段及射電波段(1 時, a 呈純自然加寬.1和緊靠線心處, 即| |D|：|D|：整個譜線的原子吸收截面并沒有發(fā)生改變.壓力加寬壓力加寬: 指吸收或發(fā)射體鄰近的原子、離子和電子對吸收體或發(fā)射體能態(tài)的擾動而產(chǎn)生的譜線加寬效

9、應(yīng)。這種效應(yīng)隨壓力而增加，所以稱為“壓力加寬”。碰撞阻尼加寬 （ tN t碰撞）Stark效應(yīng)（ tN t碰撞）原子的能級在外電場中發(fā)生分裂，稱為Stark效應(yīng)。4-7 真吸收因子、譜線輪廓及其應(yīng)用真吸收因子譜線輻射轉(zhuǎn)移方程的數(shù)值求解譜線輪廓及其應(yīng)用譜線的形成高度真吸收因子處于 i能級的原子吸收能量為hik的光子躍遷到k能級后，再離開k能級的可能方式有：a). 躍遷回原來的i能級. 幾率:b). 向下躍遷到其它能級. 幾率: c). 由k能級光致電離. 幾率:d). 由k能級碰撞電離. 幾率:e). 發(fā)生第二類碰撞. 幾率:散射連鎖反應(yīng)真吸收共振線: 低能級為基態(tài), 高能級為第一激發(fā)態(tài)或第二激

10、發(fā)態(tài)的譜線.共振譜線的真吸收可以忽略,基本為純散射效應(yīng).共振線吸收很強，形成于光球上層，密度很低，第二類碰撞可忽略。輔線系: 低能級為激發(fā)態(tài), 譜線的低能級下面還有許多其它激發(fā)態(tài)和基態(tài).輔線系的散射可以忽略,接近于純真吸收過程.譜線輻射轉(zhuǎn)移方程的數(shù)值求解 為了對譜線的輻射轉(zhuǎn)移方程進行數(shù)值積分, 求得譜線內(nèi)輻射強度隨波長的變化, 一般應(yīng)假定光球的化學組成(元素的豐度)和構(gòu)造模型(T, , P, Pe 等隨大氣高度的變化)已知. 然后將光球分成很多薄層, 根據(jù)前面幾節(jié)的討論計算輻射轉(zhuǎn)移方程中的各參數(shù)在每一薄層的值, 再對上式差分計算每一薄層對 I 的影響, 最后求和即得該譜線的輪廓.參數(shù)包括:2.

11、 利用Saha定律和Boltzman定律, 計算產(chǎn)生該譜線的原子數(shù)密 度 ni .1. 認定譜線的加寬機制, 計算 . 3. 利用(1)和(2)的結(jié)果計算 . 4. 計算光學深度 . 5. 計算線吸收系數(shù)和連續(xù)吸收系數(shù)的比 . 6. 通過對譜線的具體分析, 確定真吸收因子 . 7. 計算非相干散射的源函數(shù) .譜線輪廓及其應(yīng)用譜線輪廓: 譜線內(nèi)輻射強度隨波長的變化曲線.譜線的深度:譜線的剩余深度譜線的深度理論譜線輪廓的半經(jīng)驗公式一般有: 線心(=0):遠離線心:應(yīng)用:原則上,只要其余參數(shù)已知,就可以對一二個未知參數(shù)選取不同數(shù)值,計算理論輪廓與觀測輪廓比較,以確定最合適的未知參數(shù). 如: 選取譜線所屬元素的不同豐度, 確定其最佳豐度值. 試用不同的加寬機制的吸收系數(shù)a, 研究譜線的加寬機制以及確定湍流速度Vt等. 選取不同的真吸收因子, 直接求解輻譜線輻射轉(zhuǎn)移方程, 得到I ( ), 與該譜線觀測的臨邊昏暗規(guī)律比較, 確定譜線的吸收機制.可試用不同的光球模型, 對多條譜線計算理論輪廓與它們的觀測輪廓比較, 研究光球模型等。譜線的形成高度當我們用不同的