太陽日冕為什麼溫度高達100多萬度?而太陽表面只有五千多度?

太陽日冕高溫成因和高能粒子動量不守恆

作者：韓統義

眾所周知，太陽的直徑1,390,000km,太陽中心溫度約1,500萬K，太陽光球層溫度約5,800K，色球層的溫度約4,500K，從色球層到日冕層的中間還有一個過渡區，溫度約8,000K。太陽黑子的最低溫度3,500K。日冕層距離太陽表面約91~100萬公裡。日冕分3層，分別為內冕、中冕和外冕層。我們主要研究的是日冕層的異常高溫。內冕從色球頂部延伸到1.3倍太陽半徑處。按照熱力學規律，溫度的變化應該是漸變的。而從色球層到日冕層，溫度的變化突然高達到幾百倍。在距離光球層10,000km的區域溫度可以達到100萬K以上。在日冕內，基本溫度保持在300萬K，而該區域的粒子數密度為10（15次方）/m（3次方）。在日冕層的高溫下，氫、氦等原子被電離成質子、氦原子核和自由電子等。這些帶電粒子運動速度極快，以致不斷有帶電的粒子掙脫太陽的引力束縛，形成太陽風。

現代天體物理學對日冕高溫現象真正的加熱機制並不清楚，只是通過觀察日冕並建立幾種可能導致日冕高溫機制的模型。

阿爾芬（Alfven）波加熱：瑞典物理學家阿爾芬（Alfven）最先提出而命名的一種「磁流體動力波」。阿爾芬波指磁化等離子體內沿磁場方向傳播的特殊電磁波。其對於各種等離子體有重要的作用，存在於一些晶體、地球大氣層，以及宇宙空間的一些天體的等離子體內。阿爾芬波從太陽光球層激發，沿著太陽日冕環形成的磁力線兩端向上傳播，在日冕環頂部與反向的波相遇形成不穩定的等離子體湍動，通過郎道阻尼引起無碰撞湍動加熱，使得太陽日冕層溫度迅速上升。因此該波對日冕的加熱過程有些類似微波爐加熱效應。

磁重聯（magnetic reconnection）：是天體物理學中一種能快速能量釋放過程。它是磁能轉化為粒子動能、熱能和電磁輻射能的過程。很多人認為太陽的能量釋放就是磁重聯導致的，也是產生太陽耀斑和日冕物質拋射的原因。

我們在研究宇宙學時候發現一些有趣的規律，可以更好地解釋太陽日冕的高溫是怎麼形成的。

太陽日冕

極端環境下的粒子「動量不守恆」

基礎物理學中對於動量守恆，有嚴格的條件要求。其前提條件是，系統對象必須是剛體，並且系統不受外力。鬆散的系統，如棉花團之間就不適合動量守恆原理。同樣，粒子在一些極端物理環境下，可能也不會嚴格遵循動量守恆原理。就像棉花團吸收動能一樣，在強大引力場和極端高壓環境下，粒子內部系統也會吸收額外的能量以保證其系統在極端環境中的穩定。

我們知道大質量的恆星內部都會存在壓縮原子或者其他粒子的現象。比如質量比太陽大8~30倍的中子星，強大的引力場在原來恆星迅速坍塌形成超新星之前，會把恆星上電子猛烈地壓縮撞擊向質子，產生中子和中微子。引力場又讓新產生的中子之間以緊密聚集方式存在，也使得中子星的直徑被壓縮在10~30km之間，平均密度高達10（17次方）~10（18次方）kg/m（3次方）。而當天體的引力場能把中子之間的排斥力抵消掉時，那麼就會形成黑洞。雖然太陽的質量沒有中子星大，但其質量也足夠產生強大的引力場讓太陽上的質子、中子、原子核之間緊密聚集。而當這些粒子之間緊密聚集之時，原來粒子或者自身構成的更小基本粒子（夸克）之間的吸引力就變成斥力，如壓縮的彈簧一般。一旦粒子因為核爆被拋離太陽引力場的一定範圍有效區域，那麼緊密聚集的粒子之間的能量便會被釋放出來。甚至粒子（如質子、氦原子核）內自身多餘的能量也會被釋放出來。而粒子之間或者原子核內粒子之間的斥力也是巨大的能量來源。

我們需要回顧下原子的構造。原子內的質子、中子之間的核力屬於強相互作用力。而質子由兩個上夸克和一個下夸克通過膠子在強相互作用力下構成。中子星可以壓縮亞原子的質子為中子，並讓中子緊密聚集在一起。那麼太陽一樣可以適量地壓縮質子、中子和其他高能粒子。至少在粒子之間的距離上，應該會比地球上觀測的要短。而粒子之間（甚至夸克之間）的作用力應該是以相對的斥力為主，從而和其他的作用力達到平衡以存在太陽這個強引力場和炙熱的天體上。

因此嚴謹地說，在太陽、中子星這類大質量的天體上，原子、質子、中子都不再是嚴格意義上的剛體。因此其動量守恆在一定範圍內不適用。

從上面的分析，我們能推想到太陽日冕層高達100萬高溫的成因。太陽上（太陽對流層以下）存在很多能量滿滿的飽和能量的粒子（先不管它是什麼粒子，粒子之間或者粒子內被壓縮，充滿斥力。）。這種粒子在太陽上不僅受到太陽引力場作用，還受到太陽上炙熱高溫帶來的其他粒子的碰撞。而這種粒子的狀態是：不再吸收其他的能量，飽和且穩定地存在於太陽上，處於相對穩定的狀態。當其被太陽核爆拋射，脫離太陽引力場有效範圍後，是不是有可能會溢射能量出來？答案是肯定的。

從太陽上被拋射出來的飽和能量的粒子，在離開太陽表面一定距離，脫離太陽力場有效範圍後，原來飽和能量的粒子在新環境下會變的不穩定。當壓縮粒子的太陽引力場的力變小，原來保持平衡的斥力或者其他被壓縮的場能會釋放出多餘能量，從而達到新的平衡。在這個被拋射遠離太陽的過程，充滿飽和能量的粒子將會經歷總能量變小速度變大的過程，並釋放出多餘的能量。因此導致太陽力場對粒子（質子、氦原子核、電子）有效作用力範圍之外的日冕區域充斥著被釋放的能量，並使得溫度突然變的極高。從太陽上拋射出的粒子除了能量釋放外，同時也讓自己的速度變快。此時的粒子們可以適用動量守恆了。一部分粒子會被太陽引力場重新捕獲，另一部分則會在在釋放多餘能量時候獲得加速（動量守恆方式）脫離太陽形成太陽風。

而這個過程，可以用海底的氣泡形容。幾千米深的海底，冒出一個氣泡。剛開始的時候因為海底的水壓很高，氣泡很小。但隨著氣泡往升的距離越靠近水面，海水的壓力就越小，氣泡就開始膨脹或者溢出幾個新的泡泡，以達到穩定的狀態。從太陽上被拋射出來的飽和能量的粒子也是一樣。

參考文獻

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