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。

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