宇宙中没有氧气,为何太阳会燃烧出火焰?
269 个回答
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
等离子体(火焰)产生
\ne燃烧
\ne剧烈的氧化反应
\ne氧气参与的剧烈氧化反应
引用一下果壳,
大体来说就是太阳所谓的“燃烧”不是化学反应,而是核反应。
太阳上有氧气吗?为什么会一直燃烧?燃烧一般是指比较剧烈的发光发热的氧化反应,属于化学反应的范畴。但是太阳上发生的是热核聚变反应,氘和氚聚变成氦,释放的能量与化学反应不是一个数量级的。所以严格来说太阳并没有“燃烧”,更像是一个巨大的氢弹,用100亿年来完成爆炸的过程,现在就是这个“氢弹”爆炸的中期。
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
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
我是分割线( ̄_, ̄ )
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
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
1, 老师至少应该做过氢气在氯气中燃烧的演示实验,那里面也没氧气
2,灯泡里面没有氧气,也在发光发热
3,太阳上面发生的不是氧化反应
解决这个问题,首先要给燃烧下个定义:
根据我的记忆:燃烧是指剧烈的氧化还原反应引起发光发热。
理科的应该都知道,氧化还原反应指的是电子的得失而不是氧气的参与。也就是没有氧气也可以发生氧化还原反应。生活中很多燃烧是没有氧气参与的,比如火药燃烧。只要有氧化剂就可以。
现在知道什么是燃烧了,那么太阳是不是燃烧呢?
不是!
太阳上进行的是物理反应,压根不是化学反应,更不要提是不是燃烧了。
太阳上进行的聚变反应,跟氢弹爆炸一样的东西。根本不需要氧气。
就这样(๑´ω`๑)
(赞数最多的答主说的很专业,我这就算科普一下吧,入门级的,好理解)
燃烧反应和太阳核聚变,都不可避免的激发原子的电子到激发态。电子在跃迁过程中发出可见光,这是火焰的最本质来源。
氢气能在氯气中燃烧,镁能在氮气中燃烧,说明燃烧本质上和氧气就没关系。
太阳就是一颗超大号“氢弹”,稍不注意就会爆炸,万幸的是有一股“神秘”的力量压制住它的爆炸,否则整个太阳系都化为灰烬。
太阳是距离我们最近的一颗恒星,从地球诞生的那天起,它就给我们提供着光与热,如果某一天太阳突然熄灭,地球的生态系统会在短时间内崩溃,成为一个毫无生命的“死亡星球”。
值得庆幸的是,太阳从诞生之初到现在已经稳定燃烧了46亿年,在未来还会继续燃烧50亿年。那么问题来了,燃烧需要氧气,为什么太阳没有氧气也会持续燃烧这么久呢?
首先,我们先了解下太阳是如何形成的
在太阳系诞生之初,一大片气体星云弥漫在这片宇宙空间中,这片星云是一个无比巨大、类似球形的云团,质量是现在太阳的数十倍,星云的主要成分是氦气、氦气,以及尘埃颗粒等物质。
直到46亿年前,这片巨大的气体星云受到了某种扰动,在星云中心的位置出现了一片高密度区域,中心的高密度区域开始出现了引力。随着引力的作用,星云开始收缩向中心坍塌。
星云在坍塌的同时,开始不断的旋转,逐渐形成了一个圆形吸积盘。在中心的位置,坍塌的物质越来越多,在不断的积压下,核心区域的密度越来越大,温度越来越高,最终变成了一个高密度的球体,我们姑且称它为“原始太阳”。
“原始太阳”继续吸收着宇宙中的星云物质,中心内部的压力和温度不断升高,达到了一个不可思议的地步,终于有一天,“原始太阳”被点燃,变成了我们现在看到的太阳,开始在太阳系中散发光芒。
燃烧需要氧气,为什么太阳没有氧气也能持续燃烧呢
我们在上学的时候就学过,物质燃烧的三要素包括:可燃物、火源、助燃物。在咱们日常生活中,烧木头、烧油、烧天然气都离不开氧气做助燃剂。
但是在太空环境下,想要点火烧东西是不可能的事。太阳之所以没有氧气也能够燃烧,是因为它依靠内部的核聚变才实现的发光发热。
太阳是太阳系中唯一的恒星,它的质量达到了1.9891x10^30kg,占整个太阳系的99.86%,是我们地球质量的33万倍。
要知道,质量越大的天体,引力越大,中心区域的压强就越大。像太阳这样的巨大的天体,中心的压强是2.334*10^16 Pa ,是地心压强的8万多倍,在这样的压力下,太阳中心区域的温度高达1500万度。
在这样的高温高压环境下,太阳内部呈现等离子态,外层电子被剥离成为自由电子,原子核就被光秃秃的暴露出来,在巨大压力下靠在一起发生融合,形成一个氢原子核。
太阳中心的核聚变,实际就是原子核发生融合。简单来说,就是4个氢原子核融合之后,生成1个氦原子核。在这个聚变的过程中,会有0.72%质量转换成能量释放出来,这些释放的能量才让太阳长久的发光发热,看起来像是“燃烧”一样。
根据科学家测算,太阳每秒参与核聚变的氢是6亿吨,损失的质量就是432万吨,根据爱因斯坦质能方程E=MC^2,可以算出太阳每秒释放的能量达到了3.78x10^26J。
这些巨大的能量每时每刻从太阳中心向宇宙散发,但只有约22亿分之一的能量,以辐射形式来到地球,成为地球上光和热的主要来源。
太阳和氢弹都是通过核聚变释放能量,为什么太阳没有像氢弹那样爆炸?
从某种意义上来说,太阳就是一颗超大号的“氢弹”,一旦发生爆炸,估计整个太阳系都没了。万幸的是,太阳内部的核聚变一直在可控范围内,否则人类真的就“见不到明天的太阳”。
前文说过,质量越大的天体,外部受到的引力越大。太阳内部的核聚变释放巨大的能量,与向内受到的引力形成了一个巧妙的平衡,只有少部分能量释放出来。
简单来说,万有引力导致太阳巨大质量不断向核心收缩,这就客观上形成了一个厚重的外壳,正是有了这层外壳的保护,才让太阳不会像氢弹那样瞬间爆炸。
说在最后
太阳之所以没有氧气也能够“燃烧”,是因为它内部进行的核聚变释放出巨大的能量,这些能量产生的光和热,让我们看起来像是燃烧一样。
未来的太阳,在燃烧50亿年后,逐渐耗尽它的氢储备,只剩下氦原子核,然后向内核收缩,那时它的温度可高达1亿多度,导致氦原子核也发生核聚变反应。太阳会极度膨胀,并将靠近它的水星、金星、地球吞噬掉,太阳也会变成一颗红巨星。
随着时间的推移,太阳会越来越快地耗尽它的全部燃料,直到无法继续进行核聚变,随后坍缩成一颗暗淡的白矮星。
当然,人类是不可能看到这一幕的,那是几十亿年以后发生的事。那时的人类,早已离开了太阳系,实现了星际移民。
看了第一的答案,深深感觉涨知识了。我来解答的话,最多只会说我们见到的各种光无论火光、太阳光、led、白炽灯、节能灯……无论哪一种都是一个释放光子的过程,火焰周围由于剧烈的氧化还原反应释放了大量能量,使得原子中的电子跃迁到激发态。偏偏激发态极不稳定,电子又回跃迁回基态。根据量子力学理论,这个过程会释放光子以保持能量守恒和动量守恒。于是就有了光。
火焰与太阳光的区别是太阳光的能量来源是核聚变。当然关于太阳光的各种深入理论得票最高的答案已经说的很好了。看过之后表示很涨知识。
火焰的本质是热气体或等离子体发光,并不一定需要氧气的参与。但你熟知的火焰形态需要地球重力的参与。
太阳本身就是个大等离子体球,所以太阳有火焰没什么奇怪的。
不过,日珥和物质抛射所形成的巨大火焰,需要磁场的参与,这玩意家里的蜡烛可没有。
我只是想对楼上的几个说的,知乎存在的意义就是交流知识,传递理念。你们这样直接赤裸裸的鄙视题主真的好么?谁不是从无知慢慢的开始学习的?
本科学过无机有机计量,
加上高中三年,
都没有做过一个跟氯气燃烧有关的实验呢。
只能说是羡慕回答里中学就有那么好体验的孩子了。
其实不太懂为什么各位要在这种问题下找优越感,
去发论文呀魂淡。
不赞同题主问简单问题就是伸手党,
知乎就该比百度高端了?
谁分的类?
问了一下身边几个妹子,
都一脸理所当然的不知道。
我说好像大家都认为是常识的样子呢,
被回答直男癌了。
Σ(っ °Д °;)っ
所以加油吧题主,
保持好奇心其实是最珍贵的呢,
相比之下这个知识点真的是一钱不值。
闻道有先后,
术业有专攻,
如是而已。
简单来说,楼主你说的燃烧是化学化合反应导致的放热现象的一种——注意,是化学化合反应、是放热现象——但即使在这两个分类下,也只是其中一种而已,比如木头和煤燃烧,是里面的密度较高的碳和空气中氧气在加热作用下产生高速的氧化反应,形成二氧化碳气体,这个过程会大量放热,但类似的放热现象其实完全可以不需要氧气参加——只要是两种能够产生化学反应的物质成分,并且这个反应会让物质从高密度转化为低密度(从固态、液态变成气态)的过程,基本都会放热,氧气只是这类现象中一种比较活跃的参与者,因为它活性高而且随着大气无处不在。
换句话说,即使是化学层面的燃烧放热,氧气也不一定是必须的,而太阳的放热现象,根本就不是化学层面的化合反应,而是物理学层面的核聚合反应,不是两种物质之间的分子结合,而是通过自身质量导致的高压、高温(地心熔岩也高温,但比起太阳完全是小朋友),直接将太阳的主要成分,氢的同位素给压碎压裂,转化为氦,在大量原子重构结构的这个过程中,释放出大量的热量。
实际上,本质而言,所有的化学反应也都是物理学反应,都是物质分子原子的解构和重组,在自然界中发生的这个过程大部分时候都是释放热量的,就是把高位物质转化为低位物质的时候,释放出了其中积累的势能,具体比例有爱因斯坦的质能公式。
所以你明白了吧,在所有的宇宙放热现象中,化学放热只是其中一种,而氧化放热又只是化学放热中的一种,这么一分类,你应该明白,氧化放热在自然界里是个什么位置了。
地球上常见的,人类可以轻易达到的高能状态可以活化氧气分子,使之与其他物质发生自由基反应,普通人称之为燃烧。
然而宇宙可以达到的高能状态,可以使比氧气更稳定的物质活化并与环境分子发生自由基反应,例如活化氢核,活化碳核……
题主既然有说自己是个初中理化知识不好的人,那么,以这个知识水平前提下,能问出太阳为何能燃烧的问题,我觉得就不简单了。(几百年前很多大科学家的天问,从现代角度看,也很幼稚)就把题主当成是一个好奇的小学生吧。
题主的设定是:
1宇宙(太阳所处环境)从比例上,氧气几乎没有
2太阳的发光发热,很像地球上最常见的燃烧
其实很简单,发光发热,不一定就是燃烧。举个例子,铁块烧红了,也会发光发热吧,但铁块没烧起来。
太阳的发光发热,也不是燃烧,但和铁块加热也不一样。
和燃烧无关的发光发热有很多方法,微波炉开了,里面也发光发热吧。手电筒也发光发热吧。你拿个手电筒顶在自己手掌,反过来看,手也发红光吧(其实是手电筒的光透过手掌),时间久了手也热吧。你拿个石头铁块敲打,打出火花,也是发光发热吧。
太阳的发光发热,它自己有一套自己的方法,反正太阳能量很大,发的光和热也很大就是了。原理上,就是和氢弹有点像。叫做聚变反应,是核反应的一种。