Конвективный перенос энергии в звездах

Критерии конвективной неустойчивости

Обычным для звезд считается перенос энергии путем переизлучения фотонов. Однако переносимый таким образом поток равен светимости звезды, а непрозрачность вещества растет с уменьшением температуры наружу. В результате для переноса даже постоянного потока требуется все больший и больший градиент температуры.

Рисунок внизу иллюстрирует ситуацию, когда градиент температуры невелик (слева) и когда градиент температуры становиться достаточно большим. Критической величиной здесь является так называемый адиабатический градиент температуры, то есть такой градиент, который соответствует изменению температуры в "воздушном шаре", изолированном от окружающей среды (это распределение нарисовано в центре).

В итоге, при малых градиентах, какой-то случайно выделенный (нагретый) элемент среды, сместившись на некоторое расстояние вверх, будет стремиться вернуться к исходному уровню. Среда оказывается устойчивой к малым возмущениям плотности, температуры или положения в элементах.

Однако если градиент темпеартуры велик (рисунок справа) смещенный элемент оказывается более горячим, чем окружающая среда - ведь большой градиент температуры означает быстрое падение ее наружу - элемент просто не успевает остыть до той же степени, как и окружающая среда. Поэтому его движение не только не замедляется, а наоборот, происходит с ускорением, удоляясь от начального положения все дальше и дальше. Среда оказывается неустойчивой к перемешиванию вещества.

В нижней части рисунка приведены формулы, которые выражают математически условия устойчивости среды (слева) по отношению к конвективному перемешиванию. Такие выражения называют критерием Шварцшильда для конвекции в звездах. (Последний критерий, выраженный через энтропию, охватывает также и критерий Леду, описывающий возникновение конвекции в среде спеременным химическим составом).

Если в той или иной части звезды выполнены критерии конвекции, то полагают, что в этой области существует перемешивание, что ведет к следующим следствиям для внутреннего строения звезды.

• Вещество звезды быстро (за время от нескольких минут до нескольких часов или дней) перемешивается. Результатом является однородность звезды в этой области. Особенное значение этот факт имеет в области ядерных реакций, где их скорость может существенно меняться. Кроме того, конвекция принципиальным образом меняет характер химической эволюции звезд, принося, например, дополнительное ядерное горючее в области, где оно уже выгрело.
• В большинстве случаев (за исключением внешних областей звезды, где плотность вещества очень мала), конвективное перемешивание оказывается весьма эффективным механизмом переноса тепла. Кроме того, необходимый для конвективного перемешивания градиент температуры, лишь ненамного превышает адиабатический. Грубо можно сказать, что адиабатический градиент температуры становиться верхним пределом для градиента температуры в звездах вообще. Этот факт принципиально важен для внутренней структуры звезды.

Для расчета того градиента, который обеспечит нужный конвективный поток, в сочетании с потоком лучистой энергии, используют полуколичественную Теорию длины пути перемешивания.

В.Батурин