Energietransport in Sternen

Wärmeübertragung kann durch Leitung, Konvektion und Strahlung erreicht werden. Wärmeleitung spielt bei der Wärmeübertragung in Sternen mehr oder weniger keine Rolle, so dass Konvektion und Strahlung zurückbleiben. Welcher der beiden über den anderen dominiert, hängt vom Temperaturgradienten, der Fallbeschleunigung, der Wärmekapazität und der Opazität ab.

Ein Gaspaket, das wärmer als das umgebende Gas ist, steigt aufgrund des Auftriebs vorübergehend auf. Ein solches aufsteigendes Gaspaket kühlt sich beim Aufsteigen mehr oder weniger adiabatisch ab. Ein geringer Temperaturgradient bedeutet, dass ein aufsteigendes warmes Paket schnell kühler wird als das umgebende Gas; das Paket fällt in die Nähe der Stelle zurück, an der es begonnen hat. Konvektion kann nicht auftreten, wenn der Temperaturgradient kleiner als die adiabatische Abfallrate ist. Konvektion kann auftreten, wenn der Temperaturgradient größer als die adiabatische Abfallrate ist, und wenn Konvektion auftreten kann, tritt sie auf und dominiert die Strahlungsübertragung.

Die Fusionsrate ist in kleinen Sternen so gering, dass sogar der Kern konvektiv ist. Kleine Sterne sind durchgehend leicht konvektiv. Der extrem temperaturempfindliche CNO-Zyklus dominiert in sehr massereichen Sternen über die pp- Kette. Dadurch haben diese sehr großen Sterne einen konvektiven Kern. Die großen Außenhüllen dieser sehr großen Sterne führen zu einem geringen Temperaturgradienten außerhalb des Kerns, wodurch die Konvektion außerhalb des Kerns verhindert wird. Mittelgroße Sterne zwischen etwa 2/3 und 3/2 Sonnenmassen haben einen niedrigen Temperaturgradienten in ihren Kernen, wodurch ihre Kerne keine Konvektion aufrechterhalten können. Die äußeren Hüllen dieser mittelgroßen Sterne haben einen Temperaturgradienten, der groß genug ist, um Konvektion aufrechtzuerhalten.

Konvektion ist in diesem Teil eines Sterns effizient, weil Strahlung, von der man sonst erwarten könnte, dass sie die vorherrschende Art der Wärmeübertragung ist, innerhalb eines Sterns aus folgendem Grund ineffizient ist: Aufgrund seiner Temperatur ist das Innere eines Sterns für die meisten undurchsichtig Photonen. Sie werden effizient an geladenen Teilchen gestreut und haben daher sehr kurze mittlere freie Wege innerhalb eines Sterns. Massenkonvektion ist daher das primäre Mittel zur Übertragung von Wärme aus dem Fusionskern des Sterns.

Einzige Ausnahme ist die Energieübertragung über Neutrinos, für die die meisten Sterne nahezu durchlässig sind. Aber da die Erde und wir alle ähnlich durchlässig für Neutrinos sind, sind die solaren Neutrinos keine Wärmequelle der Sonne.

Die Antwort von David Hammen befasste sich mit der Frage der konvektiven Instabilität , aber ich kann einige Details hinzufügen.

Der Strahlungstransport ist ein effizienter Mechanismus für den Wärmetransport, wenn die Opazität niedrig ist, aber er weicht der Konvektion, wenn die Opazität hoch ist. Was passiert ist Folgendes: Wenn die Opazität hoch ist, wird (oder würde) ein steiler negativer Temperaturgradient benötigt, um den Wärmestrom nach außen zu transportieren. Wenn nun ein Plasmaklumpen irgendwie nach oben verschoben wird und in einen Bereich mit niedrigerem hydrostatischem Druck eintritt, wird er sich gemäß der Regel adiabatisch ausdehnen und abkühlen$T\sim {{P}^{2/5}}$, gegeben$\gamma =\tfrac{5}{3}$für Plasma. Wenn der Blob jetzt kühler und dichter als die Umgebungstemperatur ist, wird er zurücksinken, aber wenn er wärmer und schwimmfähiger ist, wird er weiter steigen. Die Schlussfolgerung: Überall dort, wo der konduktive oder strahlende Temperaturgradient steiler wäre als der adiabatische Temperaturgradient, gibt es konvektive Instabilität.

Sie fragen jetzt: Warum ist die Opazität in den äußeren Schichten der Sonne hoch? Ich bin kein Experte, aber ich denke, es hat mit gebundenen Übergängen in unvollständig ionisiertem Gas zu tun.

Konvektive Instabilität ist auch in der Erdatmosphäre am Werk. Die untere Atmosphäre hat eine relativ hohe Undurchlässigkeit für Infrarotstrahlung, hauptsächlich aufgrund ihrer Dichte, und ist tagsüber konvektiv instabil, aber die Instabilität lässt nachts nach, nachdem der Boden abgekühlt ist und weniger Energie transportiert werden muss. Die Konvektion endet normalerweise an der Tropopause, etwa 11 km über dem Boden, aber die Ansammlung von Treibhausgasen kann dies ändern.

Turbulente Konvektion im äußeren Erdkern treibt den geomagnetischen Dynamo an. Die Instabilität ist einer geringen Wärmeleitfähigkeit statt hoher Opazität zu verdanken. Es wird angenommen, dass die wirksame Energiequelle das Absetzen schwererer Elemente ist, wodurch potentielle Gravitationsenergie freigesetzt wird. Reines Eisen friert dann unter extremem Druck auf dem festen inneren Kern aus und gibt etwas mehr frei.

Warum Konvektion ein effizienter Energietransport ist ...

Für eine allzu einfache Erklärung siehe: " Was ist der Unterschied zwischen Leitung, Konvektion und Strahlung? ".

• Die Leitung erfolgt von Molekül zu Molekül, die Rate hängt von der Größe ab.

• Konvektion beinhaltet eine riesige Bewegung von Masse und Energie.

• Strahlung kommt von der Oberfläche.

Beachten Sie, dass die obige Erklärung absichtlich viel auslässt. War eine kompliziertere Antwort erwünscht?

• Der Prozess der Wärmeleitung hängt von folgenden Faktoren ab: Temperaturgradient, Querschnitt des Materials, Länge des Verfahrwegs und physikalische Materialeigenschaften.

• Ein Raumheizgerät ist ein klassisches Konvektionsbeispiel. Wenn der Raumheizer die ihn umgebende Luft in Bodennähe erwärmt, erhöht sich die Temperatur der Luft, dehnt sich aus und steigt im Raum nach oben. Dadurch wird die kühlere Luft nach unten gedrückt, so dass sie erwärmt wird, wodurch eine Konvektionsströmung entsteht.

• Wärmestrahlung entsteht durch die Emission elektromagnetischer Wellen. Diese Wellen tragen die Energie vom emittierenden Objekt weg. Die Strahlung erfolgt durch ein Vakuum oder ein transparentes Medium (entweder fest oder flüssig). Wärmestrahlung ist das direkte Ergebnis zufälliger Bewegungen von Atomen und Molekülen in Materie.

  Der Emissionsgrad für einen idealen Heizkörper hat einen Wert von 1. Übliche Materialien haben niedrigere Emissionsgrade. Eloxiertes Aluminium hat einen Emissionsgrad von 0,9, während Kupfer 0,04 hat.

  Der Emissionsgrad ist definiert als die Effektivität eines Objekts bei der Emission von Energie als Wärmestrahlung. Es ist das Verhältnis, bei einer gegebenen Temperatur, der Wärmestrahlung von einer Oberfläche zur Strahlung einer idealen schwarzen Oberfläche, wie durch das Stefan-Boltzmann-Gesetz bestimmt.