太陽系的動力——太陽(三)
上一節(jié)中，主要以太陽內(nèi)部的結(jié)構(gòu)出發(fā)，闡述了基本方程組的構(gòu)建和一般的恒星演化模型。在此節(jié)中，主要關(guān)注光球?qū)拥叫请H物質(zhì)的過渡區(qū)，稱之為“恒星大氣”，基于此研究的任務(wù)主要是研究恒星的最外層結(jié)構(gòu)，包括其物理狀態(tài)、物理過程和化學(xué)組成，涉及的內(nèi)容不僅僅是恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)和演化，還有星系演化、宇宙化學(xué)、星際介質(zhì)等等諸多內(nèi)容的聯(lián)結(jié)。
對于恒星大氣的觀測手段主要有測光觀測和光譜觀測，兩者各有優(yōu)劣。前者可以通過小望遠鏡就可以得到星等較深，而巡天也可以得到數(shù)量巨大的目標源、但是得到的參數(shù)有限、紅化不定（依賴于其他參數(shù)）。后者得到的參數(shù)多、不同元素豐度不受紅化的影響，但是得到的星等較淺，花費時間長且數(shù)量少。
上一節(jié)中，給出了恒星結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)，這一節(jié)中關(guān)于恒星大氣的基本參數(shù)有輻射能流、有效溫度、log g、元素占比[Xi/H]等，而在應(yīng)用過程中的基本大氣參數(shù)有：有效溫度、log g、[Fe/H]、Vt等。
在準備恒星大氣的基本方程組前，需要厘清和理解以下重要的基本物理過程和概念。
史蒂芬-玻爾茲曼定律：（只適用于黑體這類的理想源）
絕對星等：（反映天體真實的發(fā)光本領(lǐng)）
熱動平衡狀態(tài)及特點：
溫度T恒定；
輻射場強度均勻
，其滿足普朗克公式
；
熱發(fā)射和吸收系數(shù)滿足基爾霍夫（Kirchhoff）定律；
速度分布滿足麥克斯韋（Maxwell）分布律
；引入
，分布律轉(zhuǎn)化為：
，
原子激發(fā)滿足玻爾茲曼（Boltzmann）方程
，可推得薩哈（Saha）公式：
。
輻射強度及其特征：
θ表征方向，若與此無關(guān)，則說明輻射是各向同性的；
t表示時間，若與此無關(guān)，則說明輻射是穩(wěn)定的；
w表示位置，若與此無關(guān)，則說明輻射是均勻的。
由此可以推導(dǎo)得到平均輻射強度
、輻射能量密度
、輻射能量流
以及輻射壓強
。
物態(tài)方程
：
完全電離：
，同內(nèi)部的結(jié)構(gòu)與演化
；
部分電離：平均每個原子釋放了
個電子，則有
.
吸收系數(shù)
和發(fā)射系數(shù)
導(dǎo)出輻射轉(zhuǎn)移方程：
和源函數(shù)
。
基于物質(zhì)均勻的平行平面層、穩(wěn)定且不隨時間變化的輻射場、流體靜力學(xué)平衡、輻射平衡、基本由H和He構(gòu)成的氣體五個條件假設(shè)，列出一下的恒星大氣基本方程組：
流體靜力學(xué)平衡：
，其中，
;
輻射轉(zhuǎn)移方程：
或
;
能量平衡方程：
，即
;
統(tǒng)計平衡方程：
；
粒子數(shù)守恒方程：
,?
;
電荷數(shù)守恒方程：
;
物態(tài)補充方程：
。
再結(jié)合表面和底層的邊界條件，即可給出相關(guān)的形式解。
以上的方程組在一定條件下可以適當簡化，例如在考慮灰大氣模型時，通常認為與頻率無關(guān)，且源函數(shù)就是普朗克函數(shù)，處于熱動平衡，這樣得到的形式解給出了輻射強度
，在愛丁頓近似的條件下，
，則有溫度的表達式為：
。而這可以用來解釋太陽的臨邊昏暗現(xiàn)象，即當μ=0時的輻射強度要比μ=1時的輻射強度低，
。
基于此，對于恒星大氣還只是鳳毛麟角。從譜線的觀測上來說，光球?qū)又饕沁B續(xù)譜疊加吸收線，色球?qū)又饕性谶h紫外和射電波段，而日冕層橫跨幾乎整個電磁波譜、但在可見光的輻射較少。
從譜線的展寬、吸收輪廓上可以分析出相關(guān)元素的豐度。而造成譜線展寬的物理機制主要有：自然寬度（即無外界影響的寬度，取決于激發(fā)態(tài)的原子壽命，壽命長寬度窄），呈現(xiàn)出洛倫茲輪廓；多普勒變寬（即原子在空間中做熱運動引起的變寬，有紅移和藍移），呈現(xiàn)高斯輪廓；壓強、碰撞致寬（即吸收原子與其他粒子碰撞造成的譜線加寬，碰撞幾率與壓強有關(guān)），呈現(xiàn)Stark輪廓；塞曼分裂（即磁場作用下的譜線分裂）；超精細結(jié)構(gòu)（原子核中的磁矩和電矩與電子引起）；自吸變寬（譜線被同種元素基態(tài)原子吸收）。因此譜線的總吸收輪廓呈現(xiàn)出Voigt輪廓，是由各種形式的吸收輪廓疊加而成。
另外，對于恒星的光度分析主要集中在赫羅圖中，依據(jù)此有恒星的光譜分類，習(xí)慣上利用O/B/A/F/G/K/M（Oh！Be A Fantastic/Fine Girl/Gentlemen. Kiss Me!）+0-9次型（Harward分類法），結(jié)合譜線的等值寬度由低到高給出I-V型（Yerkes分類法），如太陽為G2V型星。
至此，對于太陽從內(nèi)至外的基本模型和過程已基本梳理完畢，注意在這里都是考慮“穩(wěn)態(tài)”的太陽，并沒有疊加更加細節(jié)和復(fù)雜多變的活動，但這個背景理論也完全適用在剛開始認識太陽的過程中，由于側(cè)重點的不同，以及研究領(lǐng)域的差別，在此不再多做深入探討，感興趣的可以去參看近幾年更多關(guān)于太陽星震學(xué)方面的研究工作，而本文集主要集中考慮的是行星際空間物理，便不再贅述，在之后的節(jié)選中更側(cè)重于描述太陽活動的觀測現(xiàn)象和部分物理背景。
