图片来自Vernazza 1981. 图中实线即太阳平静期的大气平均温度。 这里高度0对应光球层底，色球层位于~500km到两千多km之间。日冕层位于色球层之上，一直延伸到几百万km，图中只显示了日冕层的最底端。

　　从图中可以看到，光球层的温度是越往外越低的，但从大约色球层底部开始，温度开始逐渐升高。在色球层与日冕层交界的位置，有一个transition region，温度急剧升高。

　　对于光球层来说，能量来源于太阳内部辐射，因此越靠外温度越低。但对于在此之上的温度变化，就不那么好理解了。

　　的回答中帖了弗拉马里翁所著大众天文学中对于这一现象的简单并且科普的解释。可惜图片太小看不清。我重新截图之后在这里再贴一遍。

　　如果更仔细深究的话，大众天文学的解释略有过时。比如目前基本没有人还认为日冕能量来源是星际物质坠入太阳时的摩擦，并且人们已经基本排除声波作为日冕的主要能量来源的可能性（不过仍然可能是重要的色球层加热机制)。大家基本同意电磁效应是日冕最主要的加热机制，但具体是什么样的电磁效应，这个问题至今仍没有完全解决。

　　近日，北京大学田晖教授、谭摩伊·萨曼塔博士及其合作者在破解“日冕加热”之谜的征途上取得重要进展，其研究成果——题为《太阳针状物的产生和加热》的研究论文日前发表在《科学》杂志。记者了解到，该课题组利用氢原子Hα谱线，对太阳低层大气中普遍存在的一种小尺度喷流——针状物进行了高时间（约3.5秒）和高空间分辨率（约45千米）的成像观测研究，并利用铁原子的1.56微米谱线，对太阳磁场进行了极高灵敏度的测量。课题组分析数据发现，不同极性磁场结构之间的相互作用产生了针状物，而针状物在往外传输过程中引起了局地日冕的加热。

　　论文作者之一、田晖的博士生陈亚杰介绍，日冕是太阳的外层大气，亮度大约是太阳表面（光球）的百万分之一。平时，日冕发出的微弱光线被太阳表面（光球）发出的光所掩盖，所以我们无法看到日冕。当日全食发生，月亮完全挡住太阳圆盘时，我们就可以看到围绕着月亮阴影的光圈，这光圈最开始被误认为是地球大气造成的。

　　直到1806年6月16日的日全食，西班牙天文学家何塞·华金·费雷尔发现光圈并不是地球大气带来的，而是来自太阳大气，并把它冠以拉丁文中的“皇冠”一词，也就是我们现在常说的“日冕”。

　　19世纪中叶，人们通过对日全食的观测发现日冕当中存在着一条亮绿色的谱线世纪三四十年代，天文学家们确认这条谱线次电离的铁离子。而人们知道，这一铁的高价离子通常只能在超过百万度的环境下才会存在。它的存在表明，日冕的温度高达百万度量级，远远超过光球约5500摄氏度的温度。而根据热力学第二定律，如果日冕的热量是太阳内部经由光球往外传来的，离太阳核心越远温度应该越低，那么它的温度应低于光球，事实却与这恰恰相反。而高温日冕的直接后果便是太阳风的形成，太阳风是太阳系中各大行星之间区域中的基本介质。

　　那么，如此高温的日冕是如何产生和维持的？这便是日冕加热的问题，它是天文学和空间科学领域长期以来未能解决的难题之一。

　　近年来，基于对高分辨率太阳观测数据的详细分析，田晖研究团队发现，太阳低层大气里小尺度的、普遍存在的喷流，可能在日冕的物质和能量供应中起到了非常重要的作用。

　　田晖告诉记者，这些普遍存在的喷流中，最典型的是位于光球和日冕之间的所谓针状物。这些针状物的宽度通常只有200千米左右（太阳半径约70万千米），它们就像喷泉一样间歇性地从太阳表面往外喷射到日冕中。经估计，太阳表面上时刻都存在至少约百万个针状物，其产生和传输过程很可能是理解日冕加热的关键。

　　为理解针状物的产生机制，许多学者根据自己的认识，提出了众多包含不同物理过程的唯象或数值模型。实际上，由于过去观测上的限制，人们一直没有观测到针状物的详细产生过程，缺少直接观测证据，也就无法判定模型的对错。因此，对于针状物的产生机制，目前太阳物理界仍无共识。

　　此时，大熊湖天文台新一代古迪太阳望远镜，成为探寻针状物产生机制和日冕加热之谜的一把关键钥匙。这台目前世界上正在运营的最大口径的太阳望远镜，其得天独厚的观测台址和强大的观测仪器设备，为攻克该项极具挑战的研究课题提供了可能。

　　田晖课题组与大熊湖天文台台长曹文达团队进行合作，利用古迪太阳望远镜对太阳宁静区针状物的产生机制和加热过程进行了成功观测，发现不同极性磁场结构之间的相互作用与针状物的产生紧密相关。这些针状物通常产生于太阳上一种对流单元边界处的强磁场区域附近。当网络组织附近出现相反极性的小尺度弱磁场结构时，通常便会产生针状物。

　　田晖说，这些观测结果为磁重联驱动针状物的观点提供了迄今为止最强有力的支持。尽管该观测表明至少一部分针状物是由磁重联过程所产生，但其揭示的磁重联位形完全不同于现有的少数几个磁重联驱动针状物的理论模型。因此，未来亟须针对这一最新观测结果进行相关理论和数值模拟研究。

　　同时，利用太阳动力学天文台卫星的观测，该团队发现，在这些针状物上端出现了增强的日冕辐射，表明针状物在往外传播的过程中被加热到百万度量级。其研究显示，针状物被加热到日冕温度是一种普遍现象，研究日冕加热不能不考虑针状物的贡献。

　　田晖介绍，该研究将日冕加热与太阳低层大气中的磁活动联系起来，这得益于对太阳大气不同层次（不同温度）的协同观测。

　　“可以说，这一研究成果重新梳理了日冕加热的研究思路。过去，大家通常仅仅在日冕观测中寻找加热的蛛丝马迹，相关理论研究也基本全是探讨日冕中的物理过程。而这一成果表明，要揭开日冕加热的神秘面纱，必须要关注能量和物质从低层大气往外传输的过程，亦即需要着眼于太阳各层大气之间的耦合。”陈亚杰说。

　　此外，这一研究成果也将促进日冕加热和磁重联的有关理论和数值模拟研究。据了解，太阳低层大气是部分电离的。人们对完全电离环境下的磁重联特征有较多了解，但对部分电离环境中的磁重联还不甚理解，因此这方面有待进一步研究。此外，针状物在往外传输过程中的加热机制仍不清楚，同样需进一步研究。

　　“作为唯一一颗可以进行详细观测的恒星，对太阳的观测对于理解恒星上发生的物理过程来说具有独一无二的参考价值。因此，这一研究也为理解一些恒星冕层的高温提供了重要启示。”田晖说。

　　论文通讯作者和第一作者分别为田晖及其博士后谭摩伊·萨曼塔，其他合作者包括大熊湖天文台台长曹文达教授，北京大学博士生陈亚杰，昆明理工大学教授冯松，以及来自美国新泽西理工学院、德国马普学会太阳系研究所、英国谢菲尔德大学、奥地利格拉茨大学、印度天体物理研究所的多位太阳物理学者。

　　实上我们要回归到2009年，当时坐落在西班牙加那利群岛拉帕玛岛上的瑞典太阳望远镜 （SST） 捕捉到了一系列最新的太阳活动图片，令研究它们的挪威天文学家大吃一惊：

　　太阳表面电离气体剧烈活动区域中，突然出现一个直径1000多千米的巨大圆盘状物体，短短几分钟后就消失了……

　　此前从未有任何一架天文望远镜捕获过这个画面，这究竟是什么？研究人员试图使用超级计算机借助方程式来鉴定这一现象，结果毫无收获。

　　直到数月前，美国国家航空航天局 （NASA） 太阳动力学天文台 （SOD） 才终于捕捉到了它的3D影像。

　　它令人叹为观止：一眨眼的功夫，它就从一团旋涡中拉甩出几条巨大的磁场线，位于其底部的电离气体无法抵御磁场的巨大引力，脱离太阳表面，纠结盘旋直至10000千米/时的高速。

　　仅仅十几秒内，这个盘旋的庞然大物便展露出它最可怕的面貌：一个风眼面积相当整片大陆、高度为数千千米的巨型龙卷风出现了，它张开大嘴，大口吞下几千亿立方千米超过100万摄氏度的炽热气体。

　　几分钟后，这个“巨怪”便开始消散，很快踪影全无。磁场涡流不见了，刚才的极温逐渐消散在太阳的大气中。这个巨大的旋涡怪物如同昙花一现，只剩下余热弥散形成的光晕。

　　天文学家或许找到了这个百年拼图谜题中最关键的一块。这个拼图其实只是一个简单的问题：为何日冕这个太阳表面的电离大气层的温度既不同于冰冷的宇宙温度，也不同于太阳本身的温度，而是如此炽热，高达几百万摄氏度？

　　事实上，早在1869年，科学家就确定了日冕的温度：这个在日全食发生时环绕在太阳周围淡淡的光晕，它的温度竟然高达几百万摄氏度……而太阳表面的温度只有5600℃。

　　法国奥赛空间天体物理研究所 （IAS） 的物理学家埃里克·比什兰 （Eric Buchlin） 解释说：“太阳的所有能量都来自于其核心的热核反应，这些反应为太阳内层提供热量……”

　　所以我们观察到，离太阳的核心越远，温度就越低，等离子气体浓度也越低：太阳核心是高达1200万摄氏度的黏稠物质，而70万千米外的太阳表面，气体温度仅为5600℃。等离子体变成了轻盈透明的氢气和氦气。

　　这便触及谜团的关键所在了：从太阳表面继续往外，温度应当继续降低，直到与宇宙的温度持平，达到－200℃为止。而实际情况与此完全相反：太阳表面数百千米的距离内，温度骤然上升了100多万摄氏度！

　　既然太阳的热能都来源于它的内核，为何其大气最外层会达到如此的高温？是什么神秘加热机制聚集大量热能于日冕？长期以来，这个问题一直困扰着科学家。

　　“这是天体物理学最大的谜团之一。”巴黎天文台专家纪尧姆·乌拉尼耶 （Guillaume Aulanier） 介绍道，“在它背后，是许多悬而未决的问题：为何某些星际空间的温度非常高？磁场如何操控恒星爆炸？而最重要且最根本的问题是，等离子体的加热机制是什么？”

　　百年来各种假说接踵而至。天文学家最初认为可能是声波引导等离子体到达日冕并使之变热。但事实是，声波根本无法穿越太阳表面和大气层之间的过渡区。

　　“我们观察到，由于太阳表面和大气层之间的过渡区温度变化过大，声波在那里会发生折射，就像进入了不同的介质一样。”埃里克·比什兰解释说。上世纪70年代，科学家开始认为这个输送能量的载体应该是太阳表面的巨大磁场。

　　塞巴斯蒂安·高蒂耶 （Sébastien Galtier） 在奥赛空间天体物理研究所负责为日冕的加热机制建模，他介绍道：“磁与电是不可分割的。等离子体中的带电粒子被迫沿着磁力线方向运动，而同时我们知道太阳的磁场非常强烈，因此我们有理由推测，正是强磁场掌控了太阳上一切物质的运动，同样也正是强磁场引导带电粒子进行能量的传送。”

　　为了证实这个推测，科学家需要更多的观测数据来确定磁场是通过何种机制来操控能量传送的。事实上，20年来，太阳一直是众多天文望远镜的重点观测对象。

　　纪尧姆·乌拉尼耶介绍说：“上世纪90年代末，美国空间望远镜SOHO （太阳与日球观测站） 对太阳进行了观测，它把对太阳的观测从早期的线D殿堂。我们得以首次立体地了解太阳等离子体的运动。”

　　随后，STEREO （日地关系天文台）、SORCE （太阳辐射和气候试验卫星）、RHESSI （拉马第高能太阳光谱成像探测器）、Koronas （日冕卫星）、Hinode （“日出”号太阳观测卫星）、SDO （太阳动力学天文台） 等10多个空间观测器纷纷登上日心轨道，同时在地球上还有30多架天文望远镜对太阳进行实时观测，太阳上哪怕最小的磁场涡流都逃不过它们的火眼金睛。

　　剑桥大学太阳研究专家度伽世·崔帕蒂 （Durgesh Tripathi） 愉快地指出：“对太阳物理学来说，这是非常激动人心的一段时期，我们处在观测的黄金时代！”

　　专家们迫切希望依靠这些探测器传回的大量数据和图像解开日冕高温的谜团。不负所望，这块迷一样的拼图正被慢慢拼凑起来。

　　2002年，科学家捕捉到一系列信号，表明在太阳耀斑周围有磁场涡流，似乎正在渐渐向外传送能量。

　　2007年，科学家发现了磁振荡的存在：阿尔文波穿越过渡区，并将带电粒子携带到日冕层。

　　2011年，一个美国研究小组发现磁场能够在太阳表面形成管道，向日冕层持续注入炽热的气体……几乎每有一次新发现，天体物理学家就会急切地建立新模型，预测能量的分布，每次他们都期待成功模拟强磁场的运作，能够解释加热日冕的那些能量的来源。“其中有些在理论上说得通，但就连提出理论的科学家自己都怀疑现实是否如此。”塞巴斯蒂安·高蒂耶说道。

　　2012年，三个研究小组各发现了一个新的天体物理现象，有望最终解开谜题。

　　第一个发现十分不起眼，而这正是它的惊人之处：中国科学家探测到太阳表面存在直径仅为100千米的磁流管结构，它们持续向太阳大气层底部注入炽热气体。

　　紫金山天文台 （PMO） 天体物理学家季海生介绍说：“我们发现它们的时候大吃一惊！因为这已经达到了天文望远镜的最高分辨率，我们花了好几天研究这些图像才最终确定。”震惊过后，紫金山天文台研究人员对这个现象背后的运作机制进行了研究，他们认为由于太阳表面等离子体不匀形成磁拱，继而产生磁流管。

　　第二个研究小组的发现与第一个现象相似，只是规模更大且发生在一些耀斑频发的特殊区域。通过“日出”号卫星对耀斑底部的观测，剑桥大学研究人员发现等离子体在日冕层的运动速度上升到了100千米/时。参与这项观测的度伽世·崔帕蒂非常谨慎：“我们严谨地按照观测数据进行分析。假如结论属实，那它似乎表明太阳表层正在弥散。”

　　最后是一个更为巨大的现象，那就是挪威研究小组发现的“龙卷风巨怪”，它们将等离子体搅在一起，并把能量输送到日冕层。“最初我们看到等离子体在离太阳表面不远的高度旋转，当时我们并不知道看到的是什么，直到多次观测以及计算机模拟之后，才把它们与日冕层上的旋涡联系在一起。”发现者之一、奥斯陆大学研究人员伊蒙·斯卡利恩 （Eamon Scullion） 说道。

　　研究人员模拟了14个这样的涡流，并计算了它们输送到日冕的能量。“结果太惊人了！”研究负责人斯文·魏德迈 （Sven Wdemeyer） 激动不已，“模拟结果告诉我们，太阳表面每秒钟同时存在1万个这样的巨型涡流，仅它们释放的能量就足够能加热日冕了。”

　　每一个发现都互相关联，谜团正渐渐被揭开。尽管许多人无法同意这些巨大的涡流是日冕如此炽热的唯一原因，但是众多研究人员达成了一点共识：过去10年里发现的所有能量传输机制所能提供的能量总和足以让他们解释日冕为何会达到如此难以置信的高温了。

　　现在可以来总结一下，并初步提出一个整体解释。日冕的能量可能来自太阳表面下等离子体的剧烈运动，而输送能量的太阳磁场通过自身的运动，打开各种渠道将等离子体倾泻进日冕层。

　　输送机制渐渐明朗：磁场快速旋转形成涡流，后者导致大气层底部生成磁流管，形成物质上升通道……“我们还不知道具体是哪个机制占主导，我们只是刚刚开始对不同的机制进行分类，并将它们组织成一个完整的解释。”纪尧姆·乌拉尼耶介绍说，“但物理机制就是如此，我们对这一现象的形成已经有了大致的看法！”

　　如此巨大的能量最终怎样在太阳大气中释放，仍是巨大的未解之谜。“这个问题还有待研究。”埃里克·比什兰承认。科学家目前提出两种假设。第一种假设：强烈扭曲的磁场线突然断裂并释放出能量，然后重新连接在一起形成更稳定的结构——这种“磁重联”现象于1997年在实验室里被观察到。

　　另一种假设中能量释放的规模更小：太阳电磁波之间的碰撞使围绕它们旋转的等离子体粒子活跃起来，原理有点儿类似卤素灯泡通过电流刺激灯泡里的气体粒子发光。

　　事实上或许这两种机制同时存在。纪尧姆·乌拉尼耶解释说：“模型显示，磁重联现象主宰了太阳表面的平静区域，而活跃区域则以小规模能量转移为主。”

　　解开这个谜题还需要更多的观测，然而我们不知道天文望远镜何时能捕捉到这些现象。埃里克·比什兰指出：“这两类现象的发生范围都只有几十米，而目前天文望远镜最高分辨率只达到100千米左右。虽然我们已经开始着手提高分辨率，但离这一水平还远着呢。”

　　不仅如此，在理论上我们也将遇到重重困难，因为就算达到目标分辨率，届时电离气体也已不再是流体状，而是一团带电粒子的总和，如果我们不将非线性等离子体物理学研究透澈——这是一个令几代理论物理学家折戟的难题——就无法对其进行描绘。

　　看来，纵然解开了日冕超高温的谜团，“太阳王”的其他秘密仍将长久陪伴我们。

　　温度代表着粒子的平均运动速率，日冕层粒子极其稀薄，平均自由程大，运动速率自然要更高一些。光球层粒子稠密，原子挤在一起，就像晚高峰时候北京的堵车一样，运动的平均速率自然的就降下来了。地球的大气上层温度也比对流层、平流层高很多，但是温度高不代表着会把人烫伤，还和粒子的稠密程度有关，稀薄的等离子体温度再高打在人身上也丝毫没有影响。