宇宙中没有氧气，为何太阳会燃烧出火焰？ 第1页

长文多图预警。

太阳物理专业的，怒答一记。

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。

给题主配一张图。宇宙中熊熊燃烧的火球，我们的太阳：

我们的太阳

开始之前，先澄清一个问题。

有答主提到，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：

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：

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：

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。

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。

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：

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