伍岳明 （wuyueming001@hotmail.com）　2007.09

多年来，太阳物理学家面临的一个重大理论课题是太阳大气的高温。太阳光球表层温度只有五、六千度开，从色球层顶部到日冕底部称为色球——日冕过渡区，温度从几万度开陡升到百万开，日冕层的温度为一、二百万度开，实在是高得出奇。太阳的能量是由内向往传输的。为什么日冕的温度要比光球热得多呢 ?对这个问题，专家们深入开展理论研究，排除了日冕层上有原子核反应的可能；也不可能是外部空间的热量传入日冕层，造成日冕高温的原因。因为这种加热过程既不会是热传导，又不可能是热对流，因此一定是一种非热过程，有人提出是声波的耗散加热。是一种较新的波动加热理论，该理论计算认为太阳对流层中激烈的对流运动会产生很强的波动，其中包括声波。是声波把相当大的一部份能量传送出来，进入色球，到达日冕。由于日冕物质稀薄，不可能将波动继续下去，因此传来的能量散失在日冕空间，认为这些能量足够使日冕加热到上百万度开的高温。除声波加热理论以外，还有罗斯纳等人提出磁能加热理论。他综合分析了有关冕环的观测及其理论模式所提出的问题后，于 1978年指出：种种理由表明，只有磁能直接转换为热能的方式才足以用来加热日冕层，其它各种热源都可忽略。但是“磁能耗散”问题实际过程是电流耗散，即是欧姆加热。那些无电流的位场磁能，不可能转换为热能。至今还没有一种令人信服的加热理论被人们所公认，日冕加热的研究还有着很长的崎岖的路要走。今天我们提出“共旋起电”假说日冕加热物理模型，只是提出一种新的思路，供同行讨论参考。

笔者在第三章第二节“共旋起电”的太阳结构模型中，推导出“共旋起电”公式，认为太阳球面上应有： 的电荷量，正负电荷等量分布在太阳面上的不同卦限中。电磁学告诉我们：处于静电平衡的导体，其内部各处净电荷为零，电荷只能分布在表面 。也就是太阳的“共旋起电”产生的强大电场，使太阳球表层的等离子体正负电荷产生位移，由于等离子体的屏蔽作用 ,会使太阳表面一半极薄的离子层周边形成一层电子层 ,同理另一半的电子层周边形成离子层，并达到静电平衡，整个太阳系统仅保持中性。

笔者在第五章第二节,太阳的普遍磁场中 ,谈到由于运动电荷是产生磁场的源，故太阳球面上极薄的离子层（或电子层）电荷随着太阳的自转也会产生太阳的磁场。经计算太阳球面上带正电荷的日面离子层，随太阳整体绕自转轴作旋转运动，在太阳北极会产生磁场强度为： 的偶极磁场；同理带负电荷的电子层，随太阳整体作旋转运动，它在太阳北极也会产生磁感应强度 ，由于电子层电荷与日面上的离子层电荷性质相反，而数量相当，因而在太阳北极出现与日面运动电荷产生性质相反的磁场。由于正负电荷距离相近，频率相同，故太阳极区磁场也变得捉摸不定，难以测量。但这两种偶极磁场均与时俱在，以螺旋状太阳风形式向外扩散，对日冕空间的作用也与时俱进。

笔者在第五章第三节《行星潮汐力调控太阳黑子周的机理探索》中指出：由于太阳的质量很大，太阳与各行星的公共质心都在太阳中，因此太阳还要随整体围绕着其和各个行星的的公共质心轴作旋转运动，根据毕奥萨伐尔定律，也会在太阳极区产生不同周期的磁感应强度，故使太阳极区磁场变得更加复杂和捉摸不定，难以测量。这些偶极磁场均与时俱在，对太阳周围空间的作用也都是时刻存在的。

笔者在本章第二节《奇妙的太阳振荡和太阳色球针状体》中，还认为是太阳光球上的离子和电子的朗谬尔振荡，使太阳的整体振荡像人的心脏那样来回跳动着，好比铁匠打铁时来回拉动的风箱，使太阳表面定时射出针形流束，像用风箱鼓风火炉的火苗，随风箱节奏，以大约每秒 25千米的速度向上喷射，喷射平均高度达9800千米。这就是我们称之谓太阳色球针状体，寿命与太阳上的 5分钟振荡一致。太阳色球针状体不垂直日面，这是受太阳磁场的影响所致。

我们知道运动带电粒子在磁场中会受到洛伦兹力的作用，并且洛伦磁力 Fm总与粒子的速度v垂直，在洛伦兹力作用下，粒子的动能 和速率v不会改变，变化的只是粒子速度的方向。若带电粒子以初速度 v进入与v垂直的均匀磁场B中，洛伦兹力作为向心力维持带电粒子作圆周运动，带电粒子在这圆周轨道上的旋转运动称为回旋运动，半径 R称为回旋半径，其值为： （ 7.41）

旋转一周用的时间T为： （ 7.42）

T称为回旋周期。单位时间内粒子旋转的圈数 f为：

（ 7.43）

f称为回旋频率。回旋周期与回旋频率均与粒子的速率 v和回旋半径R无关。

在均匀磁场情况下，若带电粒子的初速度 v与B不垂直，而成任意夹角θ时，可以把v分解为垂直于 B的分量和平行于B的分量 。垂直分量的存在，仍使粒子在垂直于 B的平面上作回旋运动，其回旋半径和回旋周期仍分别为：

，和 。由于沿B方向 (或反B方向)运动的带电粒子所受洛伦兹力为零，所以平行分量 的存在只会使粒子同时沿B方向 (或反B方向)作匀速直线运动。因此，粒子运动的速度分量 和都存在 (θ既不等于π/2，也不等于0和π )时，粒子既绕磁场B作回旋运动，又沿B方向 (或反B方向)作匀速直线运动，即作这两种运动的合成运动，这种运动是一种螺旋线运动。带电粒子在磁场中作螺旋线运动的螺距为：

， （ 7.44）

螺距h与和 无关，对一定的q,B和 m来说，h完全由决定。总之，在均匀磁场情况下，带电粒子的初速度 v与B有一定夹角θ时，一般带电粒子作螺旋线运动；螺旋线的回旋周期 T与v，和 都无关，完全由q， B和m决定；而回旋半径R，对一定的 q，B和m，完全由 决定；螺旋线的螺距h，对一定的 q，B和m，完全由 决定；粒子在运动过程中，v,,都是不变的守恒量。

对于非均匀磁场，只要粒子的回旋半径 R远小于磁场的不均匀尺度，粒子的运动仍可看作是沿磁感应曲线方向或反此方向的螺旋运动，只是回旋半径和螺距都将不断变化。在这种情况下，粒子的速率虽然仍守恒不变，但 v的垂直分量和平行分量不再不变。不过，粒子的回旋磁矩值 仍是一个守恒不变量。回旋磁矩是这样定义的：由于带电粒子在 垂直于B方向的运动是回旋运动，其回旋半径和频率分别为：；和 ；

这相当于电流为的圆环电流，这圆环电流的磁矩就称为回旋磁矩。回旋磁矩值 为： （ 7.45）

由于回旋磁矩值是一个不变量 ,所以，当B增大时也必增大，但速率 v是不变的，增大，沿磁感应曲线方向的速度分量 应减小，反之，B减小， 也必减小，应增大。这就是说，沿磁感应曲线作螺旋运动的带电粒子相当于总受到一个把它推向磁场弱的地方的作用力，这个力实际上是回旋磁矩在不均匀磁场中所受的作用力

因偶极磁场是二极强中间弱的不均匀磁场。带电粒子必将沿磁力线作螺旋运动。以带正电荷的粒子运动来看 (对电子只需注意其带负电荷，可同样分析)，若该粒子所在处磁场为 B，速度为v，v与 B的夹角为θ，并称θ为该粒子在磁场B处的投射角。 为该粒子的平行磁场速度分量，也就是粒子沿磁感应曲线螺旋前进的速度。θ <π/2，粒子沿磁感应曲线方向螺旋运动；θ >π/2，粒子沿磁感应曲线反方向螺旋运动， 为该粒子垂直于磁场的速度分量， 为该粒子速率。由于该粒子螺旋运动中回旋磁矩 和速度v保持不变，所以当该粒子由左向右沿磁感应曲线螺旋运动到磁场中点磁场最弱处 (设磁场为B0)时，；即当θ最小时 ，最小， 最大；越过最弱磁场处继续向右运动时，即当θ增大时， 也跟着强大，减小。如果该粒子向右运动到磁场为 B处。减小至零，增至最大， =v，这时该粒子不能再向右运动，但由于回旋磁矩受一指向弱磁方向的作用力，该粒子将反向沿磁感应曲线螺旋向左运动，直至到磁场左端磁场为 B值处，又为零，然后再反向向右作螺旋运动，（见图（ 7.41）磁镜示意图），这样该粒子在磁场中左右来回运动而不能逃出磁场。如果该粒子在磁场为B值处反向 (此点称为该粒子的镜点)，而且该粒子在磁场值为最小的 处投射角为，则该粒子的镜点磁场 B有关系：；所以该粒子的镜点磁场 B和该粒子在磁场中点磁场最弱处的投射角θ之间有关系:

（ 7.46）

从图（7.41）看，不均匀磁场最强处在左、右两端，最强磁场磁感应强度值设为 Bm，磁场中间处磁场最弱，设其磁感应强度值为，从磁场中间点向左、右两端，磁场越来越强，

图（7.41） 磁镜示意图

这些都是由这种磁场决定的。（7.46）式表明，图 7.41所示的不均匀磁场的最小磁感应强度给定后，该粒子在磁场 值处的投射角θ决定了该粒子镜点的磁感应强度 B，而且θ越小，B越大。由于这不均匀磁场中磁感应强度最大值为 Bm(磁场的左、右两端)，所以处的最小投射角 ，由不均匀磁场的 和Bm所决定，其关系由 (7.46)式可知为：

（ 7.47）

值处，该粒子投射角θ<θ m的粒子，在这不均匀磁场中没有反向点(即镜点 )，不可能被约束在磁场中，而θ>θm的粒子将被约束在这不均匀磁场中左、右来回作螺旋运动。若图 7.41中的不均匀磁场Bm远大于，则由 (7.47)式可知θm很小，即只有很少的投射角小于θ m的粒子能逃出磁场，而绝大部分θ>θ m的核粒子均被约束在这种不均匀磁场里。图7.41这种能把运动带电粒子约束在磁场中的不均匀磁场装置称为磁镜，磁镜是把等离子体中的带电粒子约束在磁场中的最简单的磁约束装置。

当色球针状体将色球层带电物质带上高空进入日冕区之后，前已讲述过日冕区为太阳带正电荷的日面离子层和带负电荷的日面电子层产生极性相反的偶极磁场共存交汇区，因偶极磁场是二极强中间弱的不均匀磁场。带电粒子必将沿磁力线作螺旋运动。不论是带正电荷的离子还是带负电荷的电子，粒子沿磁感应曲线方向螺旋运动；在太阳磁场中来回运动而不能逃出磁场。是磁镜效应把等离子体中的带电粒子约束在太阳磁场中。是磁约束将源源不断从色球针状体传送高空等离子体约束在日冕区。而且，经过极性相反的二种回旋加速，使带电粒子能量更大，从而使色球到日冕过渡区温度陡增，形成日冕区惊人的高温。

而若运动带电粒子的投射角θ小于θ m，则带电粒子就能逃出太阳磁场，该区就成为冕洞或称神秘的“M区”，这就是太阳宁静区的冕洞。是太阳风的“风口”。以太阳自转为周期的磁暴就是由冕洞发出的太阳风质点干扰地球磁场造成的。这样，太阳大气的高温之谜，能

图7.42 日冕加热示意图

用共旋假说作出较为完美的解释。

从太极图开始说起的“共旋起电”太阳物理模型，能定量定性解释太阳大气中的高温机理，而且成功解释核反应太阳能源理论所不能说明的诸如太阳磁场起源及本质、黑子周、太阳风、日晃物质抛射等问题。相信该假说也能解释太阳系各行星、卫星中的奥秘。

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