问题

宇宙中没有氧气,为何太阳会燃烧出火焰?

回答
这是一个非常好的问题,也是许多人对太阳燃烧产生疑问的根源。我们日常生活中看到的火焰,几乎都是由氧气助燃的,比如我们生火做饭、点燃蜡烛。然而,宇宙空间是极其空旷的,除了恒星本身,周围几乎没有可以提供氧气的介质。那么,太阳这团巨大的“火球”究竟是怎么发光的呢?

首先,我们需要纠正一个常见的误解:太阳的光和热并不是“燃烧”产生的,而是由一种叫做“核聚变”的更强大、更剧烈的过程产生的。 “燃烧”通常指的是化学反应,一个物体与氧气快速结合并释放能量的过程。而太阳内部发生的事情,其能量级别和本质都与我们熟知的化学燃烧有着天壤之别。

那么,核聚变究竟是怎么回事呢?

我们知道,太阳是一个巨大的、炽热的等离子体球。等离子体是一种物质的第四态,在这种状态下,物质的原子会被剥离电子,形成由原子核和自由电子组成的混合物。太阳的中心温度高达约1500万摄氏度,压力也极其巨大。在这样的极端条件下,最主要的元素——氢原子,就发生了神奇的变化。

太阳内部的主要“燃料”是氢。氢原子是最简单的原子,它的原子核只有一个质子。在太阳的核心,巨大的压力和高温将氢原子核(质子)挤压到极近的距离。我们知道,带同种电荷的粒子是会相互排斥的,质子带正电荷,它们之间应该存在强大的斥力。然而,在太阳核心那难以想象的高温高压环境下,这些质子拥有了惊人的动能,足以克服它们之间的静电斥力。

当两个氢原子核(质子)足够接近时,一种叫做强核力的神秘力量就会介入。强核力是自然界中最强大的四种基本力之一,它的作用距离非常短,但一旦发挥作用,其结合力远超静电斥力。在强核力的作用下,两个质子被紧紧地“粘合”在一起。

这个过程并非一步完成,而是通过一系列复杂的步骤进行。最核心的反应链是著名的“质子质子链反应”:

1. 两个质子碰撞并聚变成一个氘核(重氢)。 这个过程中,其中一个质子会转变成一个中子,同时释放出一个正电子和一个电子中微子。氘核是由一个质子和一个中子组成的氢的同位素。
2. 一个氘核与另一个质子碰撞并聚变成一个氦3原子核。 这个过程中会释放出一道高能伽马射线光子。氦3是由两个质子和一个中子组成的。
3. 两个氦3原子核碰撞并聚变成一个氦4原子核(普通氦气)。 这个过程中会释放出两个质子(重新回到反应中)并释放出更多的能量。

关键在于能量的释放。 整个质子质子链反应的结果是,每转化四个氢原子核(质子),最终会生成一个氦4原子核。然而,神奇的是,生成物的总质量会比参与反应的四个质子的总质量略微小一点点。这微小的质量差,并没有消失,而是根据爱因斯坦著名的质能方程 E=mc² 转化成了巨大的能量。

在这个方程中,E代表能量,m代表质量,c代表光速。因为光速(c)是一个非常大的数值,它的平方(c²)就更加巨大。这意味着即使是极其微小的质量损失,也会转化为海量的能量。

正是这些通过核聚变产生的高能光子(伽马射线),成为了太阳光和热的源头。这些光子在太阳内部不断地被吸收、再辐射,一层层地向下传递,最终到达太阳的表面,然后以光和热的形式向宇宙空间辐射出去。我们看到的太阳“火焰”,实际上是太阳表面物质被核聚变产生的能量加热到极高的温度,并以光和电磁波的形式散发出来的现象。

所以,太阳并非在“燃烧”,而是在进行一场规模宏大的“核聚变”。它不需要氧气来助燃,因为它的能量来源是原子核内部的质能转化。太阳就像一个天然的、巨大的核聚变反应堆,在它的核心,源源不断地将氢转化为氦,并释放出照亮和温暖整个太阳系的能量。这就是为什么在宇宙的真空环境中,太阳依然能够持续发光发热。

网友意见

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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

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我试着用通俗的语言来回答这个问题,由于是非专业人士,错误之处还请指正。

关于题主的问题:宇宙中没有氧气,为何太阳会燃烧出火焰。

燃烧,英文写作combustion,我们在中学时期学到的经典理论中对其定义是物质发生剧烈的氧化还原反应,并产生光和热的过程。这一定义要求不一定有氧气参与,但必须满足是氧化还原反应这一条件。如果仅从该定义出发,太阳上并没有氧化还原反应发生,也就不存在燃烧一说。现代理论说燃烧是“由自由基中间体参与的链式反应”。这看起来与太阳上发生的原子核的聚变反应有一定的相似之处,但实质并不相同。这是因为燃烧是化学反应,其反应主体游离基是化学键断裂后形成的具有不成对电子的原子或基团;而核聚变则是物理反应,其反应主体是原子核。

所以得出 结论1.太阳并不是在燃烧

然后是为什么太阳是否会“发出火焰”这个问题。我认为这个问题其实是”太阳为什么会像火焰一样发光“

火焰是什么?通俗的讲,火焰是被燃烧产生的高温加热后发生电离的气体。火焰之所以会“发光”,是因为在电离的过程中,原子被能量激发的同时会释放出光子,也就产生了可见光。

我们为什么看到太阳会发光呢?要回答这个问题,首先来了解一下太阳的结构。正如地球从内到外被划分成地核-地幔-地壳,太阳虽然并不是地球这样的岩石行星,但科学家也已经给太阳划分了类似的分层结构,它们由内到外是:太阳核心-辐射层-对流层-光球层-大气层。科学上以光球层的表面作为太阳的“地表”,再往外就是太阳的大气层,大气层又包含了色球层、日冕等。我们看到的发光的太阳,其实就是太阳的光球层。




那么,太阳光又是怎么来的呢?太阳发光的过程与火焰发光的过程十分类似。在太阳核心处,由于其物质密度非常巨大,在巨大压力的作用下,氢原子以无法束缚自己的电子,因而以裸露的质子--氢原子核的形态存在。由于超高压和超高温(超过1000万K)的作用,太阳核心处不断进行着核聚变反应,每4个氢原子核融合成1个氦原子核,同时,原子核的部分质量被转化成能量,以γ射线(高能量的光子流)的形式向核心以外释放,这一过程遵循爱因斯坦质能方程,这种聚变反应在且仅在太阳核心进行。γ射线本身是不可见的,在离开太阳核心到达光球层时,γ射线的能量衰减,波长增大,转化为可见光光子进而逃逸到宇宙空间中。这就是肉眼可见的太阳实际上是光球层的原因。值得一提的是,γ射线到达太阳表面的过程十分坎坷,太阳核心周围包裹的等离子体会不断地”吃掉“(吸收)这些γ射线,再向周围随机地"吐出"(辐射)更低能量的γ射线。因此太阳核心产生的γ射线到达太阳表面要花上数万乃至数十万年的时间,也就是说,我们现在看到的太阳光往往是几十万年以前就在太阳核心产生的

所以得出结论2.太阳“发出火焰”的本质是太阳核心发生氢核聚变释放的γ射线在到达光球层后以可见光的形式向宇宙空间逸散

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我是分割线( ̄_, ̄ )

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接下来我试着以我的理解来阐述一下@尚萌讲过的几个问题

1.太阳磁场和太阳活动

我们都知道地球有自己的磁场,它使得指南针永远指向南(北)极,也是极光形成的原因,很多生物比如鸽子利用地磁场来寻找方向。太阳也有自己的磁场,而且它的磁场要比地磁场复杂得多。太阳不仅在大尺度上有着整体的磁场,在比较小的尺度上(当然这也是相对太阳的大小而言)存在着很多小型的磁场,其中大部分小尺度磁场都是双极磁场,和我们见到的磁铁类似,有着一个磁S极和一个N极。

关于太阳磁场的形成目前尚未有定论,一个可能的猜测是太阳放电机理论,它认为太阳内部导电的等离子体对流环圈与太阳原始的磁场作用,这一过程就像发电机切割磁感线会发电一样,它破坏了太阳的原始磁场,然后形成了偶极磁场。双极磁场是偶极磁场中的一种。

太阳是一颗磁力活跃的恒星,它的磁场是在不断变化着的。各种太阳活动,如日珥、太阳黑子、耀斑和太阳风等都与太阳磁场活动有着密切关系。

2.磁重联和耀斑

这一理论最初被提出是为了解释太阳耀斑的形成原因。什么是磁重联?简单来说,磁重联,magnetic reconnection,顾名思义,是磁力线断裂、重新联结的过程。

由于太阳是由等离子体组成的恒星,这些等离子体不是固体,不会待在原地不动。太阳核心发生核聚变产生的能量在传递到太阳表面(光球层)的过程中逐渐减少,离核心越远的部分越冷。就像烧开水一样,等离子体由于温差而产生对流,这一过程导致太阳赤道部分自转的角速度最快,越靠近南北极的地区自转速度越慢,这就是较差自转。较差自转使得太阳不同地区的磁力线随时间的推移而扭曲、纠缠在一起,当这种扭曲到达一定程度后,缠绕在一起的磁力线们最终断裂,并重新排布,形成新的磁力线,这一过程被称为磁重联。在磁力线重排的过程中会释放大量的能量,这些能量自太阳表面喷发,在极短的时间(通常只有几分钟到几十分钟)内加热太阳的大气层,并向太空抛射大量被加速到光速的粒子,这一现象便是太阳耀斑,太阳耀斑的爆发往往也伴随着日珥的剧烈喷发。

2012年7月6日在1515太阳活动区发生的耀斑,它直接导致了地球上无线电的中断

日珥的剧烈喷发,可以看到大量等离子体被抛向太空,再落回太阳表面

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