这些构成了一个稳定的等离子体球。这样的等离子体,其球状稳定结构的形成,与日核的核聚变机制密不可分。
太阳大气中可以产生极为复杂和剧烈的现象。
从而有了延伸数十万公里,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。
但是太阳为何会燃烧?又如何出现各种复杂现象的关系层次呢?
如果你思考过上面的问题,我猜,你的答案无外乎是这样几种:
A 太阳怎么会燃烧呢,还火焰,搞笑呢吧;
B 燃烧是氧化反应,太阳表面不是燃烧,这个问题根本没意义;
C 太阳发光发热,记得靠的是核聚变吧,不需要氧气,以前课本上学过的。
这篇文章,将从这个初看起来很傻的问题入手,揭示宇宙背后的深刻奥秘。
答案,跟你想象的完全不同。
我们的太阳
开始之前,让我们先直观的看一看,宇宙中熊熊燃烧的火球,我们的太阳。
我们的太阳如果你的答案是 B,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。
原因至少有以下两个:
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:
等离子体如图所示,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。
其中,右下角是人类可以生存的参数环境。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。
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(光球层:500 公里 色球层:2000 公里),温度也比较低(约 6000 度)。 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。
色球层和日冕,其结构如下图所示:
色球层和日冕太阳表面可以分为「宁静太阳」和「太阳活动区」两部分。
「宁静太阳」就是不考虑太阳表面的,活动爆发情况的稳定太阳。
在这种模型下,有光球、色球、日冕这些壳层划分,日冕高温完全电离,光球低温部分电离等等。
这些构成了一个稳定的等离子体球。
这样的等离子体,其球状稳定结构的形成,与日核的核聚变机制密不可分。
「太阳活动区」,即在「宁静太阳」的背景上,发生的剧烈高能活动。
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。
核聚变为什么不是问题的答案
如上文所述,我们已经知道,太阳表面,到处是火焰状的结构。
我们可以将问题进行更加准确的描述:
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。
光子路径光子之所以要花上百万年的时间,才能走完从核心到表面那几十万千米的路程,是因为这趟旅程,对光子来说太艰难了!
在辐射区,光子会被不断的吸收和重新辐射;在对流区,光子会跟物质反复碰撞,走出一条极其曲折的路径。
下图是光子在对流区的无规行走:
光子的无规行走因此,核聚变是不可能直接影响到太阳表面的活动的。
神奇的磁重联
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。
可对普通人来说,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。
下图是地磁场,中间的小球是地球。
地磁场与地磁场的低调不同,太阳的磁场环境完全不一样。
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。
这是什么意思呢?为了让大家对这个概念有一个直观的印象,放一张图。
太阳表面的磁拱从图中可以清晰的看到,物质沿着环状磁力线排布,形成拱形的细丝状结构。
这些沿着磁力线的细丝状物质,被磁感线绷得紧紧的,其密度,要比周围的背景密度大三至四倍。
由于太阳不同纬度的物质自转速度不同,且太阳内部和外部大气之间,总是有物质对流,太阳表面的磁场,就会随着物质运动,不断的扭曲、缠结;像弹簧一样,不断的存储能量,最终形成磁绳等极度扭曲的磁结构。
见下图:
https://pic4.zhimg.com/50/9e51f0d53c0c9111d30f73070d0bced5_b.jpg弹簧扭曲过度的话,会断裂,猛地弹开把能量都释放出来,磁场也是如此。
当在很狭窄的空间区域内,出现方向相反的磁场时,磁场线碰到一起会发生湮灭,将原本扭曲的磁力线重新排布。在此过程中,大量的磁能释放了出来。
这就是磁重联。
https://pic1.zhimg.com/50/f1b5edc1cd4cabef200b4d7912eb79bc_b.jpg上几张卡通图,可以看的更清晰一点。
https://pic1.zhimg.com/50/10eaa71ceb8e7f77f56aff82c641122b_b.jpg https://pic4.zhimg.com/50/e6e29ca950d47b4da384146f0e0d490c_b.jpg https://pic1.zhimg.com/50/9a43abe6b4abcc73b5a2cb9285b6d971_b.jpg按照现有的理论,磁重联,是太阳表面所有高能现象的来源。
这也就是太阳之所以会燃烧出火焰的最终答案。
「高能」图片预警,注意看磁力线纠缠的地方。
耀斑爆发 日冕物质抛射 日珥 地磁尾重联 太阳风磁重联对卫星的影响