Do napisania tego tekstu trochę wcześniej niż to uprzednio planowałem, skłoniła mnie ostania wizyta na stronie NASA MSFC podczas pisania poprzedniego tekstu o konwekcji. Nie ukrywam, że mile byłem zaskoczony, kiedy pod linkiem Coronal heating nie znalazłem żadnych szerzej rozpisanych hipotez, a tylko wzmiankę o dwóch proponowanych mechanizmach i potem dopisek: This page is under active construction. Return later for more entries.

Oznacza to chyba, że cały mechanizm jest tak naprawdę nieznany i stąd cała pusta strona, jak biała kartka papieru czekająca na zapisanie. Nie jest moim celem tutaj szerzenie mitu, że jestem ekspertem od astrofizyki czy wysokich energii. Chciałbym tylko zaprezentować kilka moich spostrzeżeń, które wydają mi się logiczne i niesprzeczne z podstawami fizyki. Być może spostrzeżenia te okażą się (kiedyś) przydatne.

Pierwsze pytanie, które należy chyba postawić, jest następujące:

- czy fizyka potrzebuje koniecznie jakiegoś specjalnego mechanizmu do wytłumaczenia rozkładu temperatury w koronie Słońca, czy może wystarczy to co wiemy ze standardowej termodynamiki?

Po przeanalizowaniu rozkładów gęstości, temperatury i zmian stosunku liczby elektronów do ionów w poszczególnych warstwach atmosfery Słońca, można dojść do wniosku, że nie musimy wprowadzać żadnego nowego mechanizmu nagrzewania korony słonecznej. Rozkład temperatury jest logiczną konsekwencją znanych juz zasad termodynamiki. Rozważania te przedstawiłem w roku 2007 na Generalnym Zjeździe Europejskiej Unii Geofizycznej w Wiedniu. Artykuł jest do pobrania na academia.edu pod tytułem The Coronal Heating Process .

Tutaj przedstawię tylko skrótowo ciąg mojego rozumowania. Nie da się niestety, jak wstępnie zamierzałem, przedstawić przejrzyście tych wywodów bez kilku wzorów matematycznych. Rozważania byłyby trochę niezrozumiale.

Atmosfera Słońca jak i każda inna atmosfera jest termodynamicznie otwarta od strony przestrzeni kosmicznej.  Ciśnienie i temperatura w miarę oddalania się od centrum Słońca spadają. Dzieje się tak aż do wysokości dolnych warstw chromosfery, gdzie temperatura wbrew oczekiwaniom zaczyna powoli rosnąć, a w tzw. strefie przejściowej rośnie dużo szybciej i w koronie osiąga wartości ponad miliona stopni. Zjawisko, które na pierwszy rzut oka mogłoby zaprzeczać zasadom termodynamiki, ale nie musi, co spróbuję tutaj wykazać.

Z podstawowych parametrów fizycznych gazu wynika, że średnia droga między zderzeniami cząsteczek gazu jest odwrotnie proporcjonalna do gęstości liczbowej (N) (liczba cząsteczek gazu na jednostkę objętości) i do dynamicznego promienia czynnego r0. Gęstość liczbowa jest powiązana z gęstością masową przez ciepło właściwe i stałą Boltzmana. Średnia prędkość cząsteczek jest zaś odwrotnie proporcjonalna do masy.

Przez fakt, że liczbowa gęstość cząsteczek zmniejsza się, kierunkowy rozkład średniej drogi między zderzeniami w atmosferze otwartej do przestrzeni kosmicznej wygląda tak, jak to pokazuje poniższy rysunek. 

 W każdym punkcie atmosfery otwartej w kierunku przestrzeni kosmicznej, każda cząsteczka gazu 'ma trochę więcej swobody' w kierunku mniejszego ciśnienia. Mówiąc obrazowo, w kierunku, gdzie jest "mniejszy tłok". Musimy tutaj jeszcze uwzględnić, że z powodu dużej różnicy masy i dynamicznego promienia czynnego między elektronami i jonami, bardzo różnią się też ich średnie drogi między zderzeniami i średnia energia kinetyczna. Przy dużych ciśnieniach wewnątrz Słońca można z dobrym przybliżeniem przyjąć izotropowy rozkład średniej drogi między zderzeniami. W miarę oddalania się do centrum Słońca różnice długości średniej drogi zaczynają być znaczące.

W tym miejscu należy przypomnieć, że temperatura obszaru gazu definiowana jest jako średnia energia kinetyczna cząsteczek gazu, jak to pokazuje poniższy wzór (1). Przy takim ujęciu temperatury gazu właściwości poszczególnych składników gazu znikają, a pojawia się tylko amorficzna przestrzeń wypełniona uśrednionymi cząsteczkami i rozkład Maxwela znika poza obszarem rozważań.

 

 Nieco inaczej przedstawia się sytuacja, kiedy średnią energię cząsteczek gazu policzymy tak jak to pokazuje wzór (2), gdzie N to suma liczby elektronów i jonów. Efekt matematyczny jest ten sam, ale w tej formie widzimy poszczególne składniki gazu, z ich prędkościami i masami.

 

To pozwala na analizę rozkładu parametrów atmosfery Słońca z uwzględnieniem różnic w parametrach jonów i elektronów. Poniższy wykres jak i większość danych tego artykułu pochodzi z książki "PHYSIK DER SONNE UND DER STERNE" (H. Sheffler, H. Elsässer; ISBN 3-411-14172-7).  Na poniższym wykresie widzimy, że ciśnienie, gęstość i temperatura zachowują się dość przyzwoicie aż do wysokości 1 punktu (e). Od tej wysokości temperatura zaczyna wbrew oczekiwaniom rosnąć. Tutaj należy sobie przypomnieć, że atmosfera Słońca jest mieszaniną dwóch składników: elektronów i jonów. W miarę zmniejszania ciśnienia elektrony uzyskują w punkcie (e) już tak dużą swobodną drogę miedzy zderzeniami, że następuje masowa ucieczka (wypompowywanie) najszybszych elektronów w kierunku chromosfery. Jest to zjawisko podobne procesów w mieszaninie dwóch cieczy o różnych temperaturach wrzenia, czyli rodzaj destylacji. Punkt (e) można nazwać punktem wrzenia elektronów. Najszybsze elektrony z końca rozkładu Maxwella zostają wypompowane do górnych warstw chromosfery. Przez to, że masa elektronu jest dużo mniejsza od masy ionów ucieczka elektronów nie wpływa w tym zakresie na gęstość gazu, a tylko unoszona energia kinetyczna najszybszych elektronów podnosi jego temperaturę.