Солнце — это просто. Часть вторая: механизмы радиоизлучения

    Продолжаю тему, начатую ранее. Статья получила множество откликов, в том числе через хабрапочту и аську. Многие высказывали полезные дополнения и исправляли некоторые неточности, имевшиеся в статье. За это большое спасибо!
    В этой части я хотел бы немного рассказать о механизмах радиоизлучения, о том, как оно возникает и какое оно вообще бывает :). Ну и в качестве затравки на будущее несколько фотографий активных областей Солнца, полученных мной с помощью радиотелескопа Nobeyama:
    image

    Так вот, про механизмы радиоизлучения :)
    Электромагнитное излучение создаёт любой ускоряющийся заряженный объект, будь то протон или электрон. Так как масса электрона во много раз меньше массы протона, то и излучать электрон будет намного сильнее. Почему так? Мощность излучения заряженной частицы мы можем посчитать по формуле Лармора:
    image
    Здесь q — заряд, a — ускорение и c — скорость света в вакууме. Воспользуемся также вторым законом Ньютона и в итоге получим, что чем меньше масса, тем больше излучение. К слову сказать, излучает электрон в 4 миллиона раз сильнее протона.

    Элементарные механизмы электромагнитного излучения


    1.Тормозной

    image
    При таком механизме излучения среда воздействует на движущийся заряд. Кулоновские (дальние) столкновения приводят к ускорению или замедлению заряда. Соответственно электрон начинает излучать.

    2.Черенковский

    image
    Для понимания принципа данного механизма достаточно представить аналогию с ударной волной от самолета или волной, создаваемой лодкой (катером, прутиком), движущимися по воде.

    3.Изгибный (магнитодрейфовый)

    image
    Я думаю, многие помнят из школьного (или институтского) курса физики движение тела по изгибающейся линии (каждая точка такой лини обладает радиусом кривизны, для окружности — радиусом). Собственно данное ускорение именно оттуда :)

    4. Излучение в линиях

    image
    Излучение происходит из-за энергетических переходов в молекулах и атомах.

    5. Магнитотормозной

    На Солнце в активных областях (АО) основным излучающим механизмом является именно магнитотормозной механизм излучения. Расскажем о нём побольше.
    image
    Магнитотормозное излучение определяется тем, что при движении электрона в магнитном поле под углом к силовой линии (такой угол называют питч-углом) траекторией движения электрона является спиралевидная линия с осью вдоль силовой линии магнитного поля. При проектировании этой спиралевидной линии на плоскость, перпендикулярную вектору магнитного поля B, образуется окружность. Поскольку электрон движется в магнитном поле, на него действует сила Лоренца:
    image
    Частота вращения электрона по окружности есть гирочастота:
    image
    В зависимости от скорости движения электрона выделяют три вида магнитотормозного излучения. Если излучающая частица – слабо релятивистская, то излучение циклотронное. В таких случаях энергия излучающей частицы много меньше энергии покоя частицы. Если частица – ультрарелятивистская, то излучение называют синхротронным. При этом энергия излучающей частицы много больше энергии покоя этой частицы. Циклотронное и синхротронное излучение – два крайних вида магнитотормозного излучения. Существует промежуточный вид магнитотормозного излучения – гиросинхротронное излучение. В этом случае излучающая частица – умеренно релятивистская, и энергия движения такой частицы сравнима с её энергией покоя.
    Частотный спектр гиросинхротронного излучения представляет из себя вот что:
    image
    Условно частотный спектр делится на 3 участка: оптически толстый, оптически тонкий режимы и режим, в котором значение оптической толщины приближено к 1. В фазе роста частотного спектра значение оптической толщины много больше 1 (источник находится в оптически толстом режиме), в области высоких частот значение оптической толщины много меньше 1 (источник находится в оптически тонком режиме). В окрестностях наибольшего значения интенсивности радиоизлучения значение оптической толщины порядка 1.

    На этом вводная часть завершена, в следующих частях будет непосредственно Солнце и описание того, что же там происходит :)

    Ну и напоследок:

    Вики-справка по статье:
    1. Про энергетические уровни читать здесь
    2. Релятивистская — близкая к скорости света
    3. Энергия покоя — E = mc^2
    4. Частотный спектр — зависимость интенсивности радиоизлучения от частоты генерируемого излучения
    5. Оптическая толщина — величина, которая характеризует ослабление света в среде за счёт его поглощения и рассеивания.
    6. Почему электрон излучает при ускорении: читать здесь или Гинзбурга «Теоретическая физика и астрофизика».

    Книги по теме:
    1. Железняков В.В. «Излучение в астрофизической плазме».
    2. Краус Дж.Д. «Радиоастрономия».
    Вторая книга сильно попроще :) первая для маньяков :) До встречи!
    Поделиться публикацией

    Комментарии 25

      +9
      основным излучающим механизмом является именно магнитотормозной механизм излучения

      Мы говорим о каком-то конкретном диапазоне излучения? Мне казалось основную энергию солнце отдает тепловым излучением (в том числе и в видимом диапазоне спектра), которое тоже электромагнитное излучение :-) Впрочем, конкретных цифр сходу не нашел…

      Ну и дабы скрасить пост, вставлю картиночку :-)
        +1
        Простите, забыл добавить конечно же, что магнитотормозной — основной механизм для активных областей. Сейчас исправлю. Благодарю за вопрос!
        +4
        Эээ… Я мож чего недопонял…
        Так как масса электрона во много раз меньше массы протона, то и излучать электрон будет намного сильнее.

        и сразу же после формулы:
        и в итоге получим, что чем больше масса, тем больше излучение.

        Вы уж определитесь :)
          +1
          Поправил :) конечно же чем меньше масса, тем сильнее излучает :)
          0
          К сожалению, мои знания физики не позволяют мне понять всего.
          Хотел бы узнать, почему при ускорении любой объект начинает излучать? Где можно почитать об этом?

          Я полагаю будет продолжение? Можете ли в следующем топике коснуться практической части? Какие возможности дают такого рода исследования, например.
            0
            На первый вопрос ответил в личку :)

            В следующей части расскажу о структуре солнечных петель, возможно про МГД-колебания на Солнце, а потом уже сама практическая часть :)
              0
              Ждём
                0
                а мне можно на то-же вопрос ответить, по поводу:«почему при ускорении любой объект начинает излучать? „
                  0
                  ответил в личку, добавил в статью ссылки
                  0
                  А можно на первый вопрос не в личку ответить?
                  Или ещё и мне в личку…
                    0
                    эм, выше ответ уже на это про ссылки в конце статьи :)
                      0
                      О, и правда — по ссылке с пункта 6 небольшая страничка, посвящённая именно этому вопросу и ответ на него. Спасибо, почитаю.
                +1
                Гм, Вы хоть формулу Лармора правильно напишите, да? Снизу скорость света в кубе. Плюс это — формула для нерелятивистского случая.

                Далее:

                >> Электромагнитное излучение создаёт любой ускоряющийся заряженный объект, будь то протон или электрон.

                Да и любой движущийся объект. А с понятием относительности движения…
                  0
                  Про скорость света в кубю Вы, конечно, правы, опечатка)
                  0
                  Реквестирую изображения. В начале статьи про них что-то сказано, но ничего нет.
                    +1
                    Что-то как-то непросто ваше Солнце. Научно, но не очень-то популярно.
                    Хотелось бы знать, в чем смысл этого цикла статей на Хабре и что мы в итоге узнаем о Солнце. Или это просто попытка популяризации направления в науке, которым вы занимаетесь?
                      +2
                      Честно говоря, являясь астрономом, тоже не понимаю смысла данного цикла. Если не учитывать ляпы и ошибки (см. комментарий выше), то ценность статей мала. Ей Богу, проще дать ссылку на учебник Мартынова или Википедию.
                        0
                        Это понятно :) На самом деле это вводная часть :) Дальше будет то, чего в википедии и Мартынове нет)
                        0
                        С одной стороны да, это популяризация, с другой, как было выяснено по первому посту, это иногим интересно
                          +2
                          Я не сомневаюсь, что это интересно — и мне в том числе. Но немножко на другом уровне: я бы предпочел читать не от том, по каким формулам производятся измерения и т.п., а более общую картину — почему эта область науки вам так интересна, какие неизвестные области вы изучаете и что хотите там найти, что уже нашли и с какими трудностями столкнулись… Для большинства людей солнце — это действительно очень просто: висит в небе, светит и греет. Многие представляют, из чего оно состоит, как функционирует и т.п. Что вы хотите к этому добавить?
                          Мне кажется, многим была бы интересна именно беседа на эту тему, а не изложение в стиле учебника.
                            0
                            Я понимаю Вас :) Постараюсь в следующей статье сделать уклон на более практические темы :)
                        0
                        Спасибо, очень любопытно было про электроны! :) Я бы порекомендовал приводить жизненные примеры где действуют описываемые явления: это как раз и будет та самая популяризация. Также формулы: многие наверняка уже давно не помнят что такое постоянная Планка и как она обозначается. Лучше каждую формулу описывать словами «на пальцах»: что и от чего зависит, и главное (как раз то что часто упускают в учебных заведениях) — зачем нужна эта формула?

                        И немного своей неграмотности: всегда был уверен что электрическое поле создаётся движущимся зарядом независимо от ускорения: т.е. V⃗≠const⃗ при ∀a⃗! Или я не прав, и равномерно движущийся заряд действительно ничего не излучает, а изложенная мной мысль использует среднюю скорость: упрощённая абстракция для исключения флюктуаций скорости от постоянного торможения/ускорения?
                          0
                          я постарался где можно привести жизненные примеры. например аналогии с ударной волной и прочим :)
                          +1
                          А электромагнитное излучение видимых частот — свет — тоже движущиеся заряды тем же механизмом делают?
                            0
                            А, ну да ведь — при проскоках между энергетическими уровнями. Прыгнули, произвели возмущение в поле — и дальше не излучают…

                            Хотя странно — сидя на одном уровне, они ж всё равно на орбитали болтаются, вроде как двигаясь не по прямой… не зря наверно там про дуализм волна/частица рассуждают…

                          Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                          Самое читаемое