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宇宙中没有氧气,太阳为什么能燃烧出火焰?

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与大家想象的不同,按照现在的主流理论,太阳表面各种火焰状结构的形成机制,是磁重联,并不是核聚变。

宇宙中熊熊燃烧的火球,我们的太阳:

开始之前,先澄清一个问题。

太阳不是燃烧,因此这个问题根本就没有意义,也没有讨论的必要。

但事实上,将太阳类比成燃烧的火焰是有根据的。

原因至少有两个:

1.从物质构成上来说,火焰、核聚变和太阳大气有深刻的相似之处。

火焰本质上是一团电离气体。

在适当的条件下,可燃物发生氧化反应,氧化反应提供的能量使气体电离。电离气体中激发态电子向低能级跃迁,跃迁过程发出可见光,形成我们所看到的火焰。

太阳大气,也同样是一团电离气体。

从这个角度来说,太阳就是一团悬浮在宇宙中的超大的火焰,说太阳在燃烧,并没有什么不妥。

我们称这种电离气体状态为「等离子体态」。

常见的等离子体见下图:

其中,横纵坐标分别是物质密度和温度,从图中可以对这些物质的参数有一个直观的了解。

注意火焰、日冕、磁约束聚变和太阳核心在图里的位置。

从图中可见,日冕跟火焰的密度相近,但是温度要高4个数量级,达到数百万度。

日冕,即太阳大气的最外层。太阳大气跟日冕的关系,做个不恰当的比喻的话,可以类比成,火焰和外焰之间的关系

2.从观测来说,太阳表面确实可以观测到大量的火焰状结构

先普及一下太阳物理的背景知识。

太阳结构可以简单分为太阳内部和太阳大气两部分。

这样划分是因为,太阳内部是不透明的。

使用光学和射电手段观测太阳的话,只能看到太阳大气,看不到太阳内部。

所以从观测上说,太阳内部和太阳大气是截然不同的。在不考虑日震学的情况下,太阳物理主要就是太阳大气物理。

其中,太阳大气从里到外,又被人们分为光球层、色球层和日冕三层。

光球层和色球层是很薄的[03],温度也比较低[04]。

日冕的厚度则可以达到好几个太阳半径,温度猛增至数百万度。

光球层:500 公里

色球层:2000 公里

约6000度

光球层、色球层和日冕,其结构如下图所示

太阳大气中可以产生极为复杂和剧烈的现象。如延伸数十万公里,像拱门一样的日珥;相当于数百亿颗百万吨极氢弹爆炸的耀斑;对地球影响最大的日冕物质抛射等。更细致观测的话,还可以看到大量的针状物和微耀斑。

日面上的这些结构确实会给人一种“火焰”的直观印象
那么,如何解答题主的疑问呢
火焰的能量产生机制,我们知道是氧化反应。可是,宇宙中没有氧气,太阳大气是靠什么机制,来维持太阳表面火焰状结构的能量呢
看到这个问题,大家的第一反应可能会觉得是核聚变。确实,太阳核心的核聚变,是太阳能够维持几十亿年发光发热的最终能量来源。

但是,具体到恒星表面火焰状结构的形成机制,则不可能跟核聚变产生关系
光球和色球温度太低,根本不可能达到产生核聚变的温度;日冕温度虽高,但过于稀薄,甚至可以用无碰撞粒子模型来描述,更加不可能产生足够的轻核汇聚
在太阳上,核聚变只能发生在高温高密度的太阳核心
如下图所示,光子从太阳核心,传递到太阳表面,需要经过太阳内部的对流区和辐射区。
传递时间长达上百万年,无法直接影响太阳表面的活动。

如果不是核聚变的话,这些火焰状结构的本质究竟是什么
我们的主角,磁重联出场了
我们往往倾向于忽视磁场的能量,这是合理的,因为我们在地球上所感受到的磁场实在太低调了╮(╯_╰)
每个人,每时每刻,都处在地球磁场中。
普通人来说,地磁场除了使指南针偏转、让高纬度偶尔出现一次极光之外,也就没有其他的影响了
原因呢,很简单,除了地磁场本身的强度比较弱之外,更重要的是,地球上的物质绝大部分都处于电中性状态,无法被磁场影响。

太阳表面的物质处于高电导率等离子体状态,受磁冻结效应的支配
这里的“冻结”不是温度低的意思,通俗的讲,是说磁感线跟物质冻结在一起,物质如何运动,磁感线就如何运动。

按照现有的理论,磁重联,是太阳表面所有高能现象的来源。

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