научная статья по теме ДАВЛЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ КАК МЕХАНИЗМ УСКОРЕНИЯ АТОМОВ И ПЕРВЫХ ИОНОВ С НИЗКИМИ ПОТЕНЦИАЛАМИ ИОНИЗАЦИИ Астрономия

Текст научной статьи на тему «ДАВЛЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ КАК МЕХАНИЗМ УСКОРЕНИЯ АТОМОВ И ПЕРВЫХ ИОНОВ С НИЗКИМИ ПОТЕНЦИАЛАМИ ИОНИЗАЦИИ»

АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2015, том 49, № 2, с. 148-154

УДК 523.6, 523.68-35

ДАВЛЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ КАК МЕХАНИЗМ УСКОРЕНИЯ АТОМОВ И ПЕРВЫХ ИОНОВ С НИЗКИМИ ПОТЕНЦИАЛАМИ ИОНИЗАЦИИ

© 2015 г. Л. И. Шестакова

Астрофизический институт им. В.Г. Фесенкова, Алматы, Казахстан E-mail: shest1952@mail.ru Поступила в редакцию 18.07.2013 г.

Представлены расчеты давления солнечного излучения на атомы и первые ионы. Показано, что для некоторых из них давление излучения превосходит действие гравитации и они могут быть ускорены световым давлением до различных, в том числе и больших, скоростей. Сравнение результатов со значениями потенциалов ионизации показывает совпадение максимумов давления излучения на нейтральные атомы с минимумами потенциалов первой ионизации (FIP). Еще яснее такая связь выглядит для первых ионов. Минимумы потенциалов следующей ионизации совпадают с максимумами давления излучения ряда ионов, подобных Be II, Mg II, Ca II и соседних с ними элементов. Таким образом, возможным механизмом ускорения быстрых ионов (pickup ions) и энергичных нейтральных атомов (energetic neutral atoms — ENA), исходящих от внутреннего источника (зодиакальной пыли и комет — сангрейзеров), может быть радиационное давление. Такие нетипичные для солнечного ветра примеси атомов и ионов, образовавшиеся в результате распада комет или метеорных потоков вблизи Солнца, могут ускоряться и достигать орбиты Земли в составе солнечного ветра. Дважды ионизованные атомы имеют резонансные линии в УФ-диапазона, где давление солнечной радиации не может оказывать заметного влияния на динамику частиц, поэтому предложенный механизм ускорения можно применить только к нейтральным атомам и первым ионам с низкими потенциалами следующей ионизации.

Ключевые слова: давление излучения (световое давление), FIP-эффект, межпланетная среда, элементный состав солнечного ветра, "солнцескребущие" (sungrazing) кометы.

DOI: 10.7868/S0320930X15020061

Влияние светового давления на различные атомы и ионы в атмосфере Солнца пытался оценить еще Milne (1926) в начале 20-го столетия. В то время за недостатком данных о силах осцилляторов трудно было делать какие-то выводы о влиянии этого механизма на атомы и ионы.

Сейчас, когда появились данные о силах осцилляторов f многих линий атомов и ионов (Ver-ner и др., 1994), появилась возможность выполнить расчеты светового давления для наиболее обильных из них. В 1990 г. нами был сделан прогноз интенсивности резонансного свечения некоторых атомов и ионов, оказавшихся около Солнца в результате распада комет, метеорных потоков и испарения зодиакальной пыли (Шестакова, 1990). Проведены расчеты времени жизни ряда атомов и ионов и были выбраны ионы Ca II, как наиболее перспективные для оптических наблюдений.

В результате поисков свечения иона кальция в линиях H и K Ca II около Солнца во время полного солнечного затмения 26.02.1998 была обнаружена обширная область свечения в интервале элонгаций от 3.5° до 18° к западу от Солнца (Гуляев, Щеглов, 1999). Анализ наблюдений (Шестакова, 2004) показал, что источником свечения та-

кой обширной области не могло быть единое тело типа кометы. По-видимому, это был метеорный поток большой протяженности по орбите, приближающийся к Солнцу в перигелии на расстояние около 2rsol, где rsol — радиус Солнца. В работе Bzowski, Krolikowska (2004) высказано предположение, что источником быстрых ионов (pickup ions) и "энергичных нейтральных атомов" (ENA) может быть внутренний источник, а именно зодиакальная пыль и кометы — сангрейзеры. По мнению Bzowski, Krolikowska (2004) и согласно расчетам термодеструкции каменей, входящих в состав ядер комет (Shestakova, Tambovtseva, 1998), разрушение комет начинается с расстояний 40rsol. В результате этого процесса внутри указанной области появляется пыль и в конечном итоге холодный газ, привнесенный кометами и зодиакальной пылью.

В данной работе выполнены расчеты давления солнечного излучения на атомы и первые ионы элементов с известными силами осцилляторов для переходов с основного уровня. Оказалось, что многие атомы и ионы могут быть ускорены световым давлением до различных скоростей и проявлять свое присутствие в составе солнечного ветра.

Сопоставление этого фактора с аномалиями в химическом составе солнечного ветра, известными как FIP-эффект (first ionization potential), может дать плодотворные результаты. В настоящей работе предлагается рассмотреть давление излучения как механизм ускорения pickup ions и ENA, исходящих от внутреннего источника.

МЕТОД РАСЧЕТА

Сила светового давления Ft в центре резонансной линии определяется из выражения:

F _а п Fxh

F _а 'с (r/rsol)2'

(1)

где а 1 = пе тес — коэффициент поглощения в линии согласно Аллен (1977), где е и те — заряд и масса электрона, Х1 и /¡ — центральная длина волны и сила осциллятора для соответствующего 1-го перехода, с — скорость света; 1Х — интенсивность излучения в среднем по солнечному диску в единичном интервале длин волн в непрерывном спектре между линиями согласно Макагоуа и др. (1998); Х1 — остаточная интенсивность в центре линии в долях единицы (за единицу принимается непрерывный спектр 1Х), х определялась из атласа Кигис2 и др. (1984); г/г5о1 — расстояние от центра Солнца в солнечных радиусах, с — скорость света.

Световое давление I/ на /-атом или ион определяется суммой давлений по всем резонансным линиям I:

(2)

Fi = Z F.

Чем больше сила осциллятора атома и чем мощнее интенсивность солнечного спектра в соответствующей длине волны, тем сильнее давление излучения.

Дальнейший сценарий поведения атома или иона зависит в основном от времени его жизни в поле излучения и отношения силы светового давления к силе притяжения: р = Ц/Г^ Если в > 1, элемент получает ускорение, направленное от Солнца. Поскольку силы, действующие на разные атомы и ионы, различны, то различны и их терминальные скорости. Это обстоятельство может обусловить пространственное разделение элементов в процессе их удаления из Солнечной системы и образование облаков, обогащенных разными элементами. Обнаружить неоднородности или аномалии химического состава можно в потоке солнечного ветра на орбите Земли или где-нибудь на периферии Солнечной системы.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ СВЕТОВОГО ДАВЛЕНИЯ

В табл. 1 приведены результаты расчетов в для атомов с нулевой радиальной скоростью. При этом используется световая энергия в центре со-

ответствующей резонансной линии солнечного спектра, которая является остаточной интенсивностью и в некоторых случаях составляет малую долю от непрерывного спектра. Величина втах соответствует атомам с высокими доплеровскими скоростями. Для расчетов втах используется световая энергия в непрерывном спектре. Аналогичные величины в и втах приведены в табл. 2 для ионов. Распределение энергии в солнечном спектре для расчетов светового давления взято, в основном, по данным Макагоуа и др. (1998) и Ки-гис2 и др. (1984), а для водорода и ионов М§ II из БоссЫаНш, У1а1 (1994).

В табл. 2 представлены только те ионы, для которых световое давление втах ^ 0.005.

Из таблиц видно, что легче всего поддаются действию светового давления атомы щелочного ряда, начиная с Li. Они имеют мощный резонансный дублет вблизи максимума солнечного спектра. Световое давление для атома Li превосходит силу тяготения в 223 раза (Шестакова, 2005). Остальные металлы щелочного ряда (На, К и Rb) также сильно подвержены световому давлению (в > 25). Следующий максимум давления излучения приходится на атом На. При расчетах действия светового давления в глубоких резонанс -ных линиях необходимо учитывать их форму. В солнечном спектре остаточная интенсивность в центре глубоких линий дублета На I составляет около 5% от непрерывного спектра. Если атом имеет нулевую радиальную скорость относительно Солнца, то доплеровское смещение относительно центра линии также равно нулю. В этом случае световое давление по нашим расчетам составит Ггай = 4.3/г Но, поскольку оно превосходит силу тяготения, то атом начнет ускоряться и наращивать радиальную скорость, направленную прочь от Солнца.

Чем больше будет соответствующее радиальной скорости доплеровское смещение, тем сильнее световое давление, которое достигнет максимума, когда скорость атома будет достаточно велика, чтобы по доплеровскому смещению длина волны поглощаемого атомом света вышла из ядра линии на уровень непрерывного спектра. В этом случае сила давления излучения 1гай для атома На будет превосходить силу тяготения I в 81.3 раза.

Однако такой процесс ускорения для атомов щелочного ряда длится недолго, поскольку они имеют низкий потенциал первой ионизации (Б1Р) и быстро ионизуются солнечным УФ-излучением.

Время их жизни около Солнца невелико, например, атомы На на расстоянии 6 солнечных радиусов ионизуются через 27 с (Шестакова, 1990). Оценка количества атомов На на луче зрения в области сублимации около Солнца выполнена De1one и др. (2008) по наблюдениям полного солнечного затмения 29.03.2006. Оказалось, что ко-

Таблица 1. Атомы

№ Элемент Р Р тах № Элемент Р Р тах

1 Н 1.0 1.3 39 Y 10.4 15.4

2 Не 0 0 40-41 гг, № Нет данных по /

3 О 223 223 42 Мо 2.5 8.4

4 Ве - 3.6 43-44 Тс, Ru Нет данных по /

5 В - 0.2 45 Rh 1.7 2.2

6-10 0 0 46 Pd Нет данных по /

11 № 4.3 81.4 47 АБ 1.1 3.0

12 МБ 1.4 13.7 48 Cd 0.21 0.22

13 А1 0.3 7.4 49 Ш 0.60 2.7

14 Si - 0.30 50 Sn - 0.40

15-18 Р-Аг 0 0 51-52 Sb, Те Нет данных по /

19 К 8.65 56.5 53 I - 0.0003

20 Са 2.0 63.3 54 Хе 0 0

21 Sc 10.25 29.4 55 Сз 0.13 0.16

22 Т 1.7 17.1 56 Ва 15.4 22.7

23 V 2.5 10.9 57-62 Ьа-Sm Нет данных то /

24 Сг 0.76 18.3 63 Еи 11.6 12.7

25 Мп 0.25 6.2 64-68 Gd-Er Нет данных по/

26 Бе 0.11 2.5 69 Тт 0.59 0.86

27 Со 0.04 0.75 70 УЬ 5.7 8.1

28 № 0.04 1.1 71-76 Ьи-Оз Нет данных п то /

29 Си 0.17 5.1 77 Iг - 0.036

30 гп - 0.26 78 Рг Нет данных по/

31 Ga 0.5 2.9 79 Аи - 0.14

32 Ge - 0.41 80 НБ - 0.005

33, 35 Аз, Вг 0 0 81 Т1 0.20 0.73

34, 36 Se, Кг Нет данных по Л 82 РЬ - 0.21

37 Rb 24.1 25.6 83 Bi 0.047 0.31

38 Sr 15.7 32.6

личество атомов на луче зрения не превосходит 2 х 108 атом/см

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Астрономия»