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漯河 張景倫 摘要 假設以太以氣體的形式存在于宇宙之中，其密度為1.257x10-6 kg/m3，溫度為2.725 K，壓強為6.78x1010 Pa。本文試圖引入以太來說明太陽風是如何形成的，所得出的結論是：太陽風是一種以以太為主體的渦旋和噴流。 關鍵詞：以太，太陽風，渦旋，噴流 1. 以太的性質 這里只給出以太與空氣的比較表，詳情請參閱《以太的性質與運動》第二章。 表1.以太與空氣的比較
2. 太陽風的形成 2.1. 渦旋與噴流 在任何流體中（包括等離子體），渦旋與噴流是常見的自然現象，二者相輔相成，渦旋可以產生噴流，噴流也可產生渦旋。 2.1.1. 太陽黑子 太陽黑子，是指太陽的光球表面一些暗的區域，是太陽表面可以看到的最突出的現象。主流認為：太陽黑子是磁場的聚集之處，是強磁場浮現到太陽表面所產生的。但是，強磁場是從哪里來的？誰也不知道。 本文認為：太陽黑子就是一個渦旋，其噴流向下，與地球上水面的渦旋具有相似的原理（特別是存在水下暗河時）。太陽黑子是一種凹陷的流體，在太陽的光球層上，它就是旋渦狀的氣流，像是一個淺盤，中間下凹，由于它是向下流動的流體，溫度較低，因此看起來是黑色的。一個發展完全的黑子由較暗的核和周圍較亮的部分構成，中間凹陷大約500千米。如圖1所示
圖1.太陽黑子的渦旋（圖片來自網絡） 太陽黑子應該是內部對流在太陽表面的反映，寧靜時期的對流，在太陽表面的反映是米粒結構，當太陽活動增強時，對流的結構尺度變大，其中下降部分在表面的反映就是黑子（米粒結構的邊緣部分其實也是黑子），而上升部分在表面的反映是耀斑、日珥、日冕物質拋射等。必須說明的是，磁場是黑子產生的，并不是磁場產生的黑子，因為磁場是電場的運動效應，沒有電場的運動就沒有磁場。太陽表面的流體向內部運動時，必然會產生渦旋，在科里奧力的影響下，其渦旋方向是一定的，如果流體是中性的，黑子就沒有磁場，但如果流體帶電，磁場就有一定的方向性。不是磁場產生了黑子，而是黑子的渦旋產生了磁場，這一點特別重要。黑子的磁場強度與凈電荷有關，正負電荷數相等的黑子就沒有磁場，黑子的磁場還與它的旋轉速度有關，沒有旋轉速度就沒有磁場，如圖2所示，旋轉不明顯的黑子磁場就比較弱。
圖2.磁場較弱的黑子（圖片來自網絡） 太陽黑子與地球上的熱帶氣旋也有一定的相似性，太陽黑子就是倒過來的氣旋，與熱帶氣旋的結構高度相似，周圍的氣流下降，但中心的氣流上升，因此，高速旋轉的黑子具有“亮墻”結構，如圖3所示。
圖3.高速旋轉的黑子具有“亮墻”結構（圖片來自網絡） 2.1.2. 太陽耀斑 太陽耀斑是太陽表面局部區域大規模的能量釋放過程，能引起局部區域瞬時加熱，所輻射出的光波長橫跨整個電磁波譜。 太陽耀斑是太陽內部向外對流的一種表現，是從太陽內部涌出的高溫流體，與太陽黑子的流動方向恰好相反，太陽耀斑也可視為光球層中的渦旋和噴流，一般情況下，耀斑與黑子是共生體，與黑子出現的時間和地點相對應，如圖4所示。
圖4.同一區域同一時間不同波長下的黑子與耀斑。左上是白光成像，右上是304埃成像，左下是171埃成像，右下是131埃成像（圖片來源于網絡） 與黑子不同的是：由于耀斑的上空能產生渦旋和噴流，可以迅速帶走熱量，因此，耀斑是間歇性的。從171埃成像中可以看出：從耀斑處出來的絲狀物就是渦旋和噴流，但為什么這種噴流是拱形結構呢？可以作如下猜測：從對流層出來的等離子體并不是中性的，也就是說，各個耀斑中正負電荷數并不是完全相等，如果質子數較多，噴流就表現出帶正電，如果電子數較多，噴流就表現出帶負電，假設各個噴流的旋轉方向相同，則各個噴流的磁極性也就不會相同（其N極方向符合右手定則）。由于電場力比磁場力大很多倍，與其說噴流按照磁力線運動，還不如說噴流是按照電力線運動的，因為噴流的落點處不一定存在磁極（指渦旋的中心，噴流的起始點一般在渦旋的中心，也是溫度的峰值點）。 2.1.3. 針狀體 太陽的色球層是由許多細舌組成的，這些火舌被天文學家比喻成“燃燒的草原”，或者說它是“火的海洋”，許多細小的火舌在不停地跳動著，這些火舌就稱為針狀體，如圖5所示。在色球層，不時地還有一束束火柱躥起來很高，這些躥得很高的火柱叫做日珥，日珥也屬于針狀體，只是體型較大，日珥一般在對流的中心部位，溫度也比較高。
圖5.古迪太陽望遠鏡拍攝的針狀體（圖片來源于網絡） 在地球上，也存在同樣的現象，較低的部分也類似于針狀體，較高的部分類似于日珥，稱為火龍卷，如圖6所示。
圖6.地球上的火龍卷（圖片來源于網絡） 太陽上的針狀體與地球上燃燒的草原具有相同的原理，都是一個個的渦旋，地球上的渦旋，其主體是空氣，而太陽上的渦旋，其主體是處于激發狀態下（其軌道角動量為2?）的氫原子。針狀體起源于色球層的底部，距太陽表面約500 Km，其典型高度約為2000 Km，典型半徑約250 Km，如圖7所示。
圖7.針狀體的想象圖（圖片來源于網絡） 2.2. 太陽風的形成 2.2.1. 形成的步驟 太陽風是指從太陽上層大氣射出的等離子體流，但太陽風的形成卻是在色球層和日冕層（包括過渡層），可分為兩種情況： A. 在太陽寧靜期，太陽風的形成可分為兩個步驟： 第一步，在色球層，一個個的針狀體就是太陽風的起源，在任何時間，太陽表面都有約300,000個針狀體，一個典型的針狀體可以伸展到光球之上2500公里的高度，在這個高度上，氫原子的向上運動速度可以達到20 km/s，需要說明的是：這個速度并不是熱運動速度（粒子的熱運動是各向同性的），而是由于渦旋引起的噴流速度（具有方向性），與氣體的實際溫度無關。 太陽上的針狀體，其實就是一個個的渦旋所產生的噴流。在地球上，即使是篝火，也會產生小規模的漩渦，地球上的火龍卷，其火柱可達100多米。正是渦旋產生的噴流才使氫原子的速度隨著高度增加而增大，需要說明的是：氫原子的速度隨著高度增加而增大，指的是渦旋上方的局部區域，而沒有渦旋的區域，原子的熱運動速度是隨著高度增加而減小。由于氣體的溫度指的是熱運動速度，而相對以太速度高的原子只是占一小部分（約為1/10），但我們所看到的只是溫度高的那一部分，而溫度低的部分卻看不見。舉一個例子，在一個1立方米的空間中，均勻地放置10根燃燒的蠟燭，如果從遠處看，我們只能看到蠟燭周圍的空氣發光，根據光譜，我們可以判定這個1立方米空間中的空氣溫度為500 0C，但實際上，這個溫度只是火焰周圍的溫度，而空氣的平均溫度可能只有40 0C。在色球中，一個針狀物就相當于一根蠟燭。 從圖5中可以看出：除了針狀體底部和倒Y型結構處的增亮外，其他部分均表現為吸收特征，說明了大部分的氣體溫度都很低。美國太陽動力學天文臺衛星(SDO)上搭載的大氣成像望遠鏡(AIA)進行的觀測顯示，針狀物上端出現了增強的171納米輻射，表明高溫只出現在針狀物的上端。 可見，色球層中的溫度下低上高只是一種假象，氣體的平均溫度應該是隨著高度的升高而下降。本文認為：色球層的溫度應該在4500—2500度之間，其原因是：首先，氣體的溫度不能太高，否則氫原子將會大量電離，所發出6562.8埃的氫線不可能很強，其次，溫度也不能太低，否則氫原子電離太少，也不能發出較強的6562.8埃氫線。在色球層，原子的熱運動速度約為10--8 km/s，而噴流中的速度約為10--20km/s，色球中的實際溫度是逐漸下降的，但噴流中的速度卻是逐漸上升的，因此我們所觀察到的譜線溫度也是上升的。 太陽風在色球中的產生過程與以太關系不大，因為色球底層的氣體密度比以太的密度大，氫原子氣體是渦旋的主體。 第二步，在日冕層，是指距太陽表面2500 km以上的區域，隨著氫原子的密度逐漸下降，當以太的密度（1.26x10-6kg/m3）大于原子的密度時，以太將起主導作用。 在日冕層，也能產生渦旋和噴流，但主體發生了變化，其渦旋原理與地球上的熱帶風暴相似，以太相當于空氣，而氫原子相當于水蒸汽。在這里，氫原子從色球中升起，像水蒸汽從海面上升起一樣，攪動著以太形成渦旋，這個渦旋又會使氫原子以螺旋的方式加速上升，形成噴流。由于以太看不見，而且激態的氫原子在高速運動狀態下所發出的并不是6562.8埃的氫線（譜線頻率就是核外電子的軌道頻率，與氫原子的運動速度有關，但譜線頻率并不與運動速度成線性關系，而是離散的，當相對以太的速度達到一定值時，原子就會電離），因此，我們觀察不到這個渦旋，也觀察不到原子運動的軌跡。 總之，在太陽的寧靜期，太陽風的加速過程可分為上下兩個部分，下層的加速動力來自于光球層的熱量，類似于火龍卷，上層的加速動力來自于下層的粒子速度，類似于水龍卷。太陽表面的溫度并不是均衡的，溫度高的地方產生的太陽風流量大，速度高，而溫度低的地方則相反。總體上，赤道附近的溫度較高，兩極的溫度較低，這可能與太陽中的子午流有關，這也可能是寧靜期間的日冕X光成像為橢圓的原因。 B. 在太陽活動期，太陽風的形成也可分為兩個步驟 太陽活動期是指太陽對流比較明顯的時間，其表現就是太陽表面會出現黑子與耀斑，黑子與耀斑可以看作是太陽對流中的兩個端點，爆發日珥可以看作是耀斑的一種表現形式（外層是色球層中的物質，具有6562.8埃的氫線），是耀斑產生的氣浪把色球層中的物質拋入空中，而日冕物質拋射可以看作是第二次爆發的日珥，與第一次不同的是，色球層的溫度已經被第一爆發所加熱，6562.8埃的氫線已不存在。耀斑的強度與太陽對流的強度成正比，對流越強，黑子越大，耀斑越強。 爆發日珥的產生與地球上的火山噴發類似，日珥在爆發前的幾個小時，它們通常會以0.1—1 km/s 的速度緩慢上升，然后進入一個快速加速階段，并最終以100—1000 km/s的速度飛離太陽。火山爆發也存在類似的現象，例如，1979年圣海倫斯火山爆發前，出現一個圓丘，到1980年，圓丘的高度迅速增長，最快時每天增高45厘米，終于在當年5月18日從這個圓丘突破，發生大爆發。 在太陽活動期，太陽風的形成也可分為兩個步驟：第一步，大量太陽內部的熾熱氣體快速來到太陽表面時，由于壓力驟減，以爆炸的形式釋放能量，可以直接把氣體拋入高空，因此，強烈的耀斑并不需要以渦旋的形式（但弱耀斑仍然以渦旋的形式，如圖8所示）產生上升氣流。耀斑的溫度越高，氣流上升得越快，但如果氣流不是中性的（帶有凈電荷），則氣流的上升軌跡將會受到電場的影響。第二步，其形式和原理與寧靜期基本相同，仍然是以以太為主的渦旋產生太陽風，但形成的高度更高，通量更大，速度也更快。  圖8.太陽龍卷風（圖片來源于網絡） 2.2.2. 證據 既然我們觀察不到以太為主體的渦旋（色球層中的渦旋可以觀察到），如何證明這個渦旋和噴流的存在呢？ A. 日冕層的溫度陡升 是什么加熱的日冕層？科學界給出了各種猜測，但都不能自圓其說。本文提出的以以太為主體的渦旋噴流假說可以自洽地說明：它的能量來自于針狀體產生的上升氣流，與地球上的颶風具有相似的原理。根據這個原理，就可以解釋日冕層所具有的很多物理現象。在日冕層中，原子或離子的運動并不是熱運動，而是渦旋和噴流運動，我們所觀察到的光譜就是粒子在以太中運動產生的，與相對以太的速度有關，可表示為 過渡層的溫度陡升并不能直接說明這個渦旋存在，因為看不到。但如果假設這個渦旋的存在，卻可以說明為什么溫度會陡升。 B. 寧靜的日珥 日珥的密度遠大于日冕，但寧靜日珥可長期存在于日冕中，既不墜落也不瓦解，是什么力量支撐和維持著它？答案是渦旋。 如圖9所示的寧靜日珥，它是在極區存在的一種現象，從圖中可以看到明顯的渦旋。產生這種現象必須有一定的條件：這種日珥只能存在于遠離活動區（也就是對流強度較弱）的地方，在這里，太陽表面的溫度低于平均值，這是因為當氫原子在以太中的運動速度超過20 km/s時，它所發射的譜線就不是6562.8埃（用這個單色光就不能拍攝到）了，也就是說，這種日珥相對于以太的速度不能大于20 km/s（否則看不見）。日珥的速度一般是分兩次加速的，第一次在距光球500--1000 km處，第二次距光球2500 km之上，第一次的原理類似于地球上的火龍卷，與太陽表面的溫度有關，第二次類似于水龍卷，與氫原子的通量（指單位時間單位面積內垂直通過的原子個數）有關。
圖9.寧靜日珥（圖片來源于網絡） 可以認為：寧靜日珥就是一種以以太為主體的渦旋和噴流（由于噴流相對于以太的速度不大，氫原子的光譜值仍然是6562.8埃）。雖然日冕的密度很小（10-12 kg/m3量級），但以太的密度大（10-6 kg/m3量級），估計日珥的密度為10-8kg/m3量級（與地球上颶風中水汽和空氣的比例近似）。寧靜日珥實際上是兩個噴流的合成，是兩個噴流的接力，一個是以氫原子為主體，一個是以以太為主體，但以氫原子為主體的噴流很低，可以忽略。 寧靜日珥的存在可以證明日冕中存在渦旋，但日冕中的物質密度并不支持這個渦旋的存在，這也間接證明了以太的存在。但寧靜日珥所產生的太陽風可以忽略，它所產生的噴流最高可達到30萬公里，但并不能逃脫太陽的引力，絕大部分又回到了太陽，因為隨著高度的上升，氫原子的通量會逐漸減少，渦旋和噴流也會逐漸消失。 C. 太陽風中攜帶磁場也說明了這個渦旋的存在 我們知道：太陽風離開太陽后，本身是攜帶磁場的，但為什么太陽風會攜帶磁場？主流認為這是磁凍結效應。但是，它的原理是什么？磁場并不是物質，它只是電場的運動效應。太陽風中攜帶有磁場，只能說明太陽風是渦旋的，也說明了太陽風并不是中性的等離子體。 D. 太陽耀斑 太陽耀斑的出現如何證明這個渦旋的存在呢？我們從很多的太陽影像資料中可以看到：當太陽表面產生爆發日珥時，物質的拋射速度可以達到數百公里每秒，但在太陽表面，其逃逸速度為618 km/s，因此，許多的物質又回到太陽表面，這種拋射并不能形成太陽風。但是，如果爆發的日珥正對著地球，我們卻可以接收到速度為800 km/s以上的大密度太陽風。如果承認以太為主體的渦旋，這種現象就很容易解釋，正是學界主流不承認以太的存在，才導致太陽風的形成無法解釋。 E. 粒子的溫度 觀測表明：太陽風中的質子溫度高于電子，其它離子的溫度又高于質子，而且所有粒子的垂直溫度都高于平行溫度，這些現象都可以用渦旋和噴流自洽地得到解釋。 F. 太陽風的切向速度 太陽風在離開太陽表面時的切向速度是2 km/s，但隨著距離的增加，其切向速度越來越大，是什么加速的切向速度？科學界至今無法解釋。 本文認為:還是以太。以太流體在水星的引力拖曳下，繞太陽的速度曲線如圖10所示，當太陽風在以太中運動時，其切向速度將會與以太同步（詳情請參閱《以太的性質與運動》第三章）。
圖10.太陽系中以太的運動速度曲線 太陽風離開太陽后的切向加速并不能說明太陽風是如何形成的，但可以證明以太的存在。 2.2.3. 太陽風流出的位置 主流認為：太陽風是從冕洞中噴射出來的，一般認為從太陽的磁場極地附近吹出的是高速太陽風，從太陽的磁場赤道附近吹出的是低速太陽風。 太陽風從冕洞中流出的根據是什么呢？經長期觀測發現，當太陽存在冕洞時，地球附近就能觀測到高速的太陽風，因此天文學家認為太陽風的產生與冕洞有不可分割的關系，從而得出的結論是：太陽風是從冕洞中流出來的。 但是，這種觀點雖然得到了學界的公認，卻不一定是正確的，因為許多的現象是無法解釋的。例如，一旦太陽上存在較強的耀斑或日冕物質拋射，總能形成大量的高速太陽風，與當地有無冕洞無關。 冕洞是什么？太陽上并沒有什么洞，冕洞實際上是X射線少的地方，如圖11所示。日冕中的光可分為兩種：一種是氣體散射的光球中的光，它是一種連續光譜，稱為白光日冕，另一種是氣體本身發射的光，稱為日冕禁線。從圖11中可以看出：在這張X光照片中，X光是由氣體本身產生的，與粒子的運動速度有關，與磁場、粒子的密度等因素關系不大，也就是說，冕洞是太陽表面相對平靜且溫度較低的區域上空。
圖11.冕洞——太陽的X光成像 冕洞附近的溫度最低，也就是說，這里的粒子速度最低，是最不應該產生太陽風的地方，如果說冕洞是開放的磁場，但這也不能成為產生太陽風的理由，因為黑子的磁場比冕洞強很多，而且磁場也是開放的。 本文認為：太陽風從太陽流出，可以是任何位置，與冕洞與無關。太陽風的形成主要與太陽表面的溫度有關（溫度越高，粒子的通量就越大），與所帶凈電荷有關（凈電荷量越大，受到電場的影響也越大）。 2.2.4. 太陽風的速度曲線 在光球層，由于粒子的運動是熱運動，各向同性，可以認為太陽風起源于光球的頂層。在色球層，由于渦旋的存在，粒子開始存在定向運動。在太陽寧靜期，色球層中的渦旋可以把粒子的定向運動加速到20 km/s以上，粒子的主要加速在日冕層，其加速度最大的區域在過渡層。其平均速度曲線如圖12所示。需要說明的是：圖中粒子的速度是指噴流中的粒子。
圖12.寧靜期太陽風的平均速度曲線 3. 討論 3.1. 光是什么？ 光是什么的問題是物理學中最基本的問題，如果這個問題不說清楚，其他的相關問題都無法解釋。 本文認為：光就是以太中傳播的波，與聲波具有非常相似的性質，聲波具有反射、折射、干涉、衍射、聚焦、多普勒效應等一系列的傳播特征，光也同樣具有上述所有特征，聲波中的有關定理在電磁波中同樣可用，而且計算方法也高度相似。電磁波與電磁場是兩個完全不同的物理概念，波是指能量在介質中的傳播，而場是指物質發生作用的空間，電磁波絕不是運動的電磁場，這兩個概念是不能混淆的，詳情請參閱《電磁場與電磁波的區別》。 光是如何產生的？這個問題也必須弄清楚，本文認為：光與聲音產生的原理是一樣的，也就是說，光也是由粒子的振動產生的，與粒子是否帶電無關。當粒子在以太中運動時，是可以產生光的，所產生的光的頻率為 3.2. 磁場是什么？ 在太陽風的研究方面，最著名的學者是帕克和阿爾文。1943年諾獎獲得者阿爾文提出了著名的磁凍結定理：當理想導電流體在磁場中移動時，流體元會跟磁力線凍結在一起，兩者只能一起移動。1972 年帕克提出了磁重聯加熱日冕的“拓撲耗散”概念，并于1988 年提出了“微耀斑”加熱日冕模型，但是，磁場是從哪里來的呢？誰也說不清楚，因此，阿爾文的晚年，他發表了一篇文章[1]，力勸人們放棄他自己發現的這個定理，這篇文章的摘要只有一句話：磁凍結和磁重聯概念，既無必要又經常產生誤導。實際上，磁凍結和磁重聯理論是錯誤的[2][3]，磁場沒有那么多的作用。 磁場在太陽的研究中具有非常重要的作用，很多人認為太陽黑子、日珥、日冕物質拋射等太陽現象都與磁場相關，但磁場發揮作用的機制是什么？它是從哪里來的？沒有人知道。本文認為：磁場不是物質，它是電場的運動效應，詳情請參閱《電場與磁場的關系》。 磁凍結是一種效應，是磁場的變化如同磁感線粘附在流體質元上，隨流體一起運動，如同磁感線被“凍結”在了導電流體中一樣。它是阿爾文在1943年提出的一個磁流體理論，但是，我們在實驗室中并沒有觀察到這種現象。為什么在太陽風中會出現這種現象呢？最可能的原因是：太陽風是渦旋的，而且存在凈電荷，只有這樣，磁場才會隨流體一起運動，也就是說，磁場是流體自身的渦旋產生的，并不是從其他地方攜帶出來的。 磁重聯也是一種猜想，它是指磁力線斷開再重新連接的物理過程。我們知道：磁力線本身就是人們為了描述磁場所引入的假想線，并不實際存在，磁力線在理論上是閉合的，是不能斷開的，如果磁力線是不能斷開的，那么也就不存在所謂的重新連接了。另外，磁力線只能是從N極到S極，是不可以扭曲的，這可能也是阿爾文晚年放棄它的原因。 3.3. 溫度如何定義？ 溫度是最基本的物理概念，在我們的教科書中，溫度是表示物體冷熱程度的物理量，微觀上來講是物體分子熱運動的劇烈程度。但是，對于一個單獨的粒子如何定義它的溫度？我們的教科書中并沒有答案。 引入以太后，就可以定義一個粒子的溫度了：如果粒子的質量為m，相對以太的速度為v，則粒子的能量為 定義這個粒子的溫度為 為什么引入以太就可以定義粒子的溫度呢？因為粒子的速度必須用以太作為參考系。我們知道：任何物體在空氣中運動時，物體本身都會產生振動，這個振動在空氣中的傳播就是聲音，以太與空氣一樣，粒子在以太中運動時也會產生振動，這個振動在以太中的傳播就是電磁波。任何粒子在以太中運動時，所產生的振動頻率就是它的固有頻率，而且這頻率可以從外部測定出來。例如：一個質子，它的質量是1.67x10-27 kg，當它以每秒100 km勻速直線運動時，它所輻射出來的電磁波頻率就是2.52x1016 Hz,它的溫度就是4.03x105 K。 這個定義也適用于含有大量分子的氣體，但相對以太的速度是方均根值，例如：如果空氣的溫度是300 K，則空氣分子的方均根速度就是 4. 結論 太陽風的形成分為兩個步驟，第一步是在2500 km之下，是由于太陽內部的高溫物質對流在太陽表面引起的上升氣流，其表現就是色球中的針狀體，其原理與地球上火龍卷類似，太陽風的強弱與它的內部對流關系密切，對流越強，太陽風也越強。在太陽活動期，強烈的對流可以引起太陽表面的爆炸，直接將氣體拋入高空。第二步是在日冕層內，是色球層的上升氣流所引起的、以以太為主體的渦旋，其原理與地球上的熱帶風暴相似，這種渦旋可以存在于距太陽表面很遠的地方，其強度與質子的通量有關，質子的通量越大，渦旋越強，噴流的速度越大，只要質子的通量大于一定值，這種以太為主體的渦旋和噴流就可以形成和持續。 參考文獻 [1] Alfvén H. On frozen-in field lines and field-line reconnection. J. Geophys. Res. 1976 81(22), 4019–4021. [2] Liang Z-X, Liang Y (2015) Significance of Polarization Charges and Isomagnetic Surface in Magnetohydrodynamics. PLoS ONE 10(8): e0136936. https:///10.1371/journal.pone.0136936 [3] Liang Z-X, Liang Y (2022) Two negative experimental results and analysis of Alfvén’s theorem. PLoS ONE 17(12): e0278990. https:///10.1371/journal.pone.0278990 |
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