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黑洞对话(八):太阳隐藏着“许多天机”!(2)

2019-05-18  智者1111

太阳隐藏着“许多天机”!(2)——太空没氧气,太阳为什么能熊熊燃烧?!
                 原文:宇宙中没有氧气,为何太阳会燃烧出火焰?作者:知乎

黑洞对话

(八)

太阳隐藏着“许多天机”(二)

——

太空没有氧气,太阳为什么

能熊熊燃烧?!

     你是不是也理所当然的认为:“太阳在熊熊燃烧”?!

       但你想过吗:太空没有氧气,太阳靠什么熊熊燃烧?!真的是在燃烧吗?!...

        我们知道火焰的能量产生机制,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?

        开始之前,先澄清一个问题。
        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。(右下角是人类可以生存的参数环境)
       注意火焰、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,额,火焰和外焰的关系...)、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。

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。

       简单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。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。)
       太阳大气从里到外,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(500公里和2000公里),温度也比较低(约6000度),而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、色球层和日冕的结构如下图所示:


       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。可是,具体到恒星表面火焰状结构的形成机制,则跟核聚变没有关系。
        光球和色球温度太低,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,根本无法直接影响太阳表面的活动。


光子之所以要花这么长时间才能走完从核心到表面的几十万千米的路程,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:

        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~
       (有评论问到这个词的读法。重在这里读chong,取磁场重新联接的意思)

       我们往往倾向于忽视磁场的能量,这是合理的,因为地球的磁场实在太低调了╮(╯_╰)╭
每个人每时每刻都处在地球磁场中,可对我们来说,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,似乎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,地球上的事物绝大部分都处于电中性状态。
      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。

        这是太阳表面的磁拱。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3-4倍。

        由于太阳不同纬度的物质自转速度不同(较差自转),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,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。

        上几张卡通图,可以看的更清晰一点。

       按照现有的理论,磁重联是太阳表面所有高能现象的来源。


       不再多说,上图。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:

     磁暴发生时,太阳风暴与输电线的相互作用

      (多谢 @乔小海 指正,太阳风暴对输电线的影响并不是通过磁重联,而是通过影响地磁场来产生强地磁感应电流,从而使变压器发生半波饱和。不过这幅图很酷,就还是保留在这里了~)

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        理工生福利:为什么会有磁冻结效应?

        放上公式,不想看公式的可直接跳过~~

       .首先是参数范围:磁冻结效应只发生在电导率极大的理想等离子体中,太阳大气在大多数情况下都可以满足这种条件,但在地球上,这种条件很少出现!

1.根据法拉第定律,磁场的变化有电场与之对应:

2.根据运动方程,电场和磁场共同影响带电粒子的运动,因此电流与电场和磁场有关:

3.通过这两个方程,我们可以得到磁场演化的微分方程:

4.如果电导率无限大,磁场的扩散项(右边第二项)被消掉,就只剩下冻结项(右边第一项)了。如下所示:

        这时电磁场中的电离流体(即磁流体)会表现出如下行为:
a.起初位于某根磁力线上的流体质点,以后将一直位于该磁力线上;
b.通过和流体一起运动的任意曲面的磁通量守恒。

        这就是磁冻结效应。

对一些大家提到的问题的回复:

1.Q:(太阳)自转的能量从哪里来,和内部核聚变的关系能否讲讲
A:这是个好问题。
        太阳的自转,叫做较差自转(不要吐槽这个名字。。)
        什么意思呢,是说太阳不同的纬度,自转角速度不同。
        这种现象是流体星体所特有的。
        正常的固态星体,因为是刚体啦,不同纬度的自转角速度都是一样的。自转速度来自于星体形成时积累的相角,之后由于角动量守恒就一直转下去了。。(当然这个要深挖也有一堆东西可说的)
        对于太阳这样的流体星体,无法维持一致的转动速度。而只要有速度差异,就有持续不断的耗散。维持较差自转的能量来自于星体内部的对流运动。
       那么对流是怎么产生的呢?简单说就是高温高密的核心物质向外流动了~~

       所以这个关系是这样的:
       太阳核心核聚变产生能量->辐射区->对流区->较差自转->维持太阳磁场->磁能通过磁重联释放

2.Q:你说的磁场扭曲断裂,是不是会产生成对的太阳黑子?太阳耀斑喷射的带有强磁场的气团,就是磁场碎片嘛
A:黑子是太阳上磁场比较强的地方,双极黑子确实伴随着很强的反向磁场。
       黑子的产生机制比较复杂,有的黑子很稳定,有的很快就消失了,未必是磁场扭曲断裂产生的。
       一般认为,黑子的形成与磁流浮现机制有关。
       如下图所示:

         环形磁场在对流的不稳定性下向上浮,直到满足静力学平衡为止。此时,环足点处(图中黑块)形成双极黑子。

        太阳耀斑喷射的带有强磁场的气团,气团会带着磁场一起跑,这也是磁冻结效应的体现。

3.Q:日冕是大气最外层,几百万度,光球层是大气最内层,6000度,是什么原因导致内凉外热,而且差那么大
A:这也是个好问题,可惜我无法给出确定的答案。。。
        因为,日冕反常加热问题是太阳物理中的一个非常重要的未解决问题,围绕这个问题提出的相关理论太多了,如耀斑加热、阿尔文波加热等等,至今没有达成一致。
        我们组里面就有人靠这个问题吃饭的。。

4.Q:第一次听说太阳物理专业。。。
A:唉,人类太空殖民速度太慢了啊。。
        要是太阳系空间到处都是空间站、货运飞船、殖民点、电磁中继器和深空探测器,太阳物理绝对是最热门的专业你信不信!

5.Q:能用人造磁体模拟吗
A:如果说模拟真实太阳活动的话。。没钱呀。。
        那些做实验室模拟的,几米直径的设备就是大设备了,太阳直径百万千米,一个日珥能塞进去十几 个地球,大家感受下。。

6.Q:“日冕的厚度则可以达到好几个太阳半径”,不能理解。太阳不是个球体吗?日冕层的厚度能超过太阳半径?我糊涂了!
A:这里的太阳半径没有算太阳大气,就像地球半径不计算地球大气一样。

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