知乎日報：宇宙中沒有氧氣 為何太陽會燃燒出火焰？

　　原來還是有這麼多人關注我們太陽物理的，淚奔……

　　我寫這個答案，只是因為專業原因，碰巧能提供一個跟大家不一樣的思路。既然很偶然的獲得不少關注，那就借這個機會好好科普一下太陽物理吧~

　　對大家評論的回覆放在最後，回答中有講的不清楚的地方歡迎提問~

　　以下是正文：

　　太陽物理專業的怒答一記。

　　有答主提到，太陽不是燃燒，因此這個問題根本沒有意義。

　　但事實上，火焰、核聚變和太陽大氣有更深刻的相似之處。

　　如 @凌晨曉驥 所説，火焰本質上就是一團電離氣體。氧化過程提供的能量使氣體電離，激發態電子在向低能級躍遷的過程中發出可見光，就形成我們所看到的火焰。

　　太陽大氣也是一團電離氣體。從這個角度來説，太陽就是一團懸浮在宇宙中的超大的火焰，説太陽在燃燒並沒有什麼不妥。

　　這裏，我們稱這種電離氣體狀態為“等離子體態”。常見的等離子體見下圖：

　　橫縱座標分別是物質密度和温度，從圖中可以對這些物質的參數有一個直觀的瞭解。

　　注意火焰、日冕(即太陽大氣的最外層。太陽大氣跟日冕的關係，做個不恰當的比喻的話，可以類比成，額，火焰和外焰的關係...)、磁約束聚變和太陽核心在圖裏的位置。從圖中可見，日冕跟火焰的密度相近，但是温度要高 4 個數量級，達到數百萬度。

　　那麼，如何解答題主的疑問呢?火焰的能量產生機制，我們知道是氧化反應。可是，宇宙中沒有氧氣，太陽大氣是靠什麼機制來維持表面結構的能量呢?

　　看到這個問題，大家的第一反應可能會覺得是核聚變。但實際上，如下圖所示，核聚變只發生在太陽核心，光子從太陽核心傳遞到太陽表面需要經過對流區和輻射區，要上百萬年的時間，根本無法直接影響太陽表面的活動。

　　光子在對流區的無規行走：

　　按照現在的主流理論，太陽表面火焰狀結構的產生機制，是磁重聯。(重在這裏讀 chóng，取磁場重新聯接的意思)

　　先簡單普及一下太陽物理的背景知識。

　　太陽內部是不透明的。使用光學和射電手段觀測太陽的話，直接能看到的只是太陽大氣。太陽大氣從裏到外，被人們分為光球層、色球層和日冕三層。在不考慮日震學的情況下，太陽物理其實主要就是太陽大氣物理。光球層和色球層是很薄的(500 公里和 2000 公里)，温度也比較低(≈6000 度)，而日冕的厚度則可以達到好幾個太陽半徑，温度猛增至數百萬度。

　　光球層、色球層和日冕的結構如下圖所示：

　　太陽大氣中可以產生極為複雜和劇烈的現象，如延伸數十萬公里像拱門一樣的日珥、相當於數百億顆百萬噸極氫彈爆炸的耀斑、對地球影響最大的日冕物質拋射等。日面上看起來像火焰的東西往往就是這些結構。

　　宇宙中熊熊燃燒的火球：

　　那麼，這些火焰狀結構的本質是什麼?核聚變顯然是要排除的。光球和色球温度太低了，不可能產生核聚變;日冕温度雖高，但過於稀薄，甚至可以用無碰撞粒子模型來描述，更加不可能產生足夠的輕核匯聚。如果核聚變不可能發生，還有什麼機制可以解釋這些複雜劇烈的能量釋放過程呢?

　　還是有的，那就是我們的主角——磁重聯。

　　我們往往傾向於忽視磁場的能量。這是合理的，因為地磁場實在太低調了。每個人每時每刻都處在地球磁場中，但對我們來説，地磁場除了使指南針偏轉、讓高緯度偶爾出現一次極光之外，似乎就沒有其他的影響了。原因很簡單，除了地磁場本身的強度比較弱之外，更重要的是，地球上的事物絕大部分都處於電中性狀態。

　　下圖是地磁場，中間的小球是地球。

　　與地磁場的低調不同，太陽的磁場環境完全不一樣。

　　太陽表面的物質處於高電導率等離子體狀態，受磁凍結效應的支配。這裏的“凍結”不是温度低的意思，通俗的講，是説磁感線跟物質凍結在一起，物質如何運動，磁感線就如何運動。

　　這是什麼意思呢?為了讓大家對這個概念有一個直觀的印象，再放一張圖。

　　這是太陽表面的磁拱。從圖中可以清晰的看到，物質沿磁力線排布。

　　由於太陽不同緯度的物質自轉速度不同，且太陽內部和外部大氣之間總是有物質對流，太陽表面的磁場會隨着物質運動不斷的扭曲、纏結，像彈簧一樣不斷的存儲能量，最終形成磁繩等極度扭曲的磁結構。見下圖：

　　彈簧扭曲過度的話會斷裂，猛地彈開把能量都釋放出來，磁場也是如此。當在很狹窄的空間區域內出現方向相反的磁場時，磁場線碰到一起會發生湮滅，將原本扭曲的磁力線重新排布。在此過程中，大量的磁能釋放了出來。這就是磁重聯。

　　按照現有的理論，磁重聯是太陽表面所有高能現象的來源。

　　不多説，上圖。注意看磁力線糾纏的地方。

　　耀斑爆發：

　　日冕物質拋射：

　　日珥：

　　地磁尾重聯：

　　太陽風磁重聯對衞星的影響：

　　磁暴發生時，太陽風暴與輸電線磁場的磁重聯過程：

　　先寫這些，還有問題的話歡迎提問。