太陽之火，其實和核聚變沒啥關係

很多人都知道太陽是個大火球，也知道太陽能源來源是核聚變。然而太陽表面耀眼的火焰，其實與核聚變的關係並不是很大。

太陽就是一團懸浮在宇宙中的超大的火焰，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：

其中，橫縱座標分別是物質密度和溫度，從圖中可以對這些物質的參數有一個直觀的瞭解。（右下角是人類可以生存的參數環境）。從圖中可見，日冕跟火焰的密度相近，但是溫度要高4個數量級，達到數百萬度。

太陽結構可以簡單分為太陽內部和太陽大氣兩部分。這樣劃分是因為，太陽內部是不透明的。 使用光學和射電手段觀測太陽的話，只能看到太陽大氣，看不到太陽內部。所以從觀測上說，太陽內部和太陽大氣是截然不同的。

太陽大氣從裡到外，又被人們分為光球層、色球層和日冕三層。光球層和色球層是很薄的，溫度也比較低。日冕的厚度則可以達到好幾個太陽半徑，溫度猛增至數百萬度。

光球層、色球層和日冕，其結構如下圖所示：

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。更細緻觀測的話，還可以看到大量的針狀物和微耀斑。

日面上的這些結構會給人一種“火焰”的直觀印象。

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，來維持太陽表面火焰狀結構的能量呢？

光球和色球溫度太低，根本不可能達到產生核聚變的溫度；日冕溫度雖高，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。

在太陽上，核聚變只能發生在高溫高密度的太陽核心。

如下圖所示，光子從太陽核心，傳遞到太陽表面，需要經過太陽內部的對流區和輻射區。

傳遞時間長達上百萬年，無法直接影響太陽表面的活動。

光子之所以要花上百萬年的時間，才能走完從核心到表面那幾十萬千米的路程，是因為這趟旅程，對光子來說太艱難了！在輻射區，光子會被不斷的吸收和重新輻射；在對流區，光子會跟物質反覆碰撞，走出一條極其曲折的路徑。下圖是光子在對流區的無規行走：

如果不是核聚變的話，這些火焰狀結構的本質究竟是什麼？

我們的主角，磁重（chong）聯出場了。

我們往往傾向於忽視磁場的能量，這是合理的，因為我們在地球上所感受到的磁場實在太低調了。每個人，每時每刻，都處在地球磁場中。可對普通人來說，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，也就沒有其他的影響了。原因呢，很簡單，除了地磁場本身的強度比較弱之外，更重要的是，地球上的物質絕大部分都處於電中性狀態，無法被磁場影響。

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。

這裡的“凍結”不是溫度低的意思，通俗的講，是說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，放一張圖。

這是太陽表面的磁拱。

從圖中可以清晰的看到，物質沿著環狀磁力線排布，形成拱形的細絲狀結構。

這些沿著磁力線的細絲狀物質，被磁感線繃得緊緊的，其密度，要比周圍的背景密度大三至四倍。

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，就會隨著物質運動，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。

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。

下面圖片顯示得比較輕觸，尤其注意磁力線糾纏的地方。

耀斑爆發：

日冕物質拋射：

日珥：

地磁尾重聯：

====理工生福利：為什麼會有磁凍結效應？====

0.首先是參數範圍。

磁凍結效應只發生在電導率極大的理想等離子體中。太陽大氣在大多數情況下，都可以滿足這種條件。但在地球上，這種條件很少出現！

1.根據安培定律，磁場的旋度，有電流與之對應：

2.根據運動方程，電場和磁場，共同影響帶電粒子的運動，因此電流與電場以及磁場有關：

3.通過這兩個方程，我們可以得到磁場演化的微分方程：

4.如果電導率無限大，磁場的擴散項（右邊第二項）被消掉，就只剩下凍結項（右邊第一項）了。如下所示：

這時電磁場中的電離流體（即磁流體）會表現出如下行為：

a.起初位於某根磁力線上的流體質點，以後將一直位於該磁力線上；

b.通過與流體一起運動的任意曲面的磁通量守恆。

這就是磁凍結效應。

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