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单词 彗星
释义

【彗星】
 

拼译:comet
 

俗称“扫帚星”,这类天体多数沿扁长轨道绕太阳运行,离太阳很远时只是不大的“脏雪球”彗核,近时蒸发出的气体和尘形成外貌奇异的彗发和彗尾。彗星较好地保留了形成时期的状况,可作为“太阳系起源与演化”的考古样品。彗星陨落到地球上,尤其早期陨落多,带来大量挥发物及有机分子,对地球大气的形成演化和地质变化有重要作用。研究彗星的性质和现象、其物理-化学过程、彗星跟太阳辐射及太阳风的相互作用有重要科学意义。

古代人偶然见到外貌奇异的彗星出现,感到惊慌和恐惧,看作是战争、灾荒等不吉祥的征兆,实际上,彗星的出现完全是一种自然现象,其本质逐渐被认识。欧洲人长期认为彗星是地球大气中的燃烧现象,中国古代就有了较正确的见解“彗体无光,傅日而为光,故夕见则东指,晨见则西指。在日南北,皆随日光而指。顿挫其芒,或长或短……”。1577年第谷(Tycho Brahe)测出当年一颗彗星比月球远。牛顿研究过1680年彗星的轨道。1705年哈雷(E.Halley)算出24颗彗星的轨道,发现1531、1607和1682年出现的3颗彗星的轨道相似,认为是同一颗彗星三次回归,并预言它76年后再次回归,果然应验了,它被命名为哈雷彗星,其实在历史上已多次看到它,以中国古书上的记载最早和最多。中国古书上记载为孛星、妖星、长星、异星、奇星等的也是彗星,这些珍贵记录至今仍有研究价值。彗星的早期研究主要是测定轨道和预报回归,描述和解释其形状。1836年贝塞耳(F.W.Bessel)提出彗星排出质点并受到太阳的辐射斥力,1903年勃烈基兴(Ф.А.Ъредцхпн)发展成彗尾形状的力学理论。

19世纪后期出现照相术、测光术和分光术后,开始彗星的物理观测研究,例如,测定彗星亮度随其到太阳和地球距离的变化规律,从彗星光谱特征证认其化学成分等。虽然彗发体积有时比太阳还大,但它掩恒星时星光几乎毫不减弱,说明其所含物质极其稀少。彗星的本体是彗核,从观测资料推算出彗核质量一般为1010~1016kg,也有少数更多些或更少些。彗核很难直接观测到,从观测资料间接推算出彗核大小一般为几百米至十几公里,只有哈雷彗星由飞船近距观测得出其土豆形彗核大小为16km×8km×8km。曾提出多种彗核结构模型,大致分两类:一类是“砂砾模型”,认为彗核是一团固体质点的松散集合体,直到1963年仍有人持此看法;另一类是“致密核模型”,认为彗核是整体的冰块或石块,这类模型中最好的是惠普尔(F.L.Whipple)1949年提出的“冰冻团块模型”,即彗核是由冰和尘冻结在一起的“脏雪球”。但是,对彗核的内部具体情况仍不完全清楚,有均匀与不均匀等看法。1981年德尔塞姆(A.H.Delsemme)综合多种观测资料,提出彗核的元素丰度模型,除氢、碳、氮的丰度小之外,其余主要元素跟宇宙丰度一致,主要化学成分是H2O和CO2冰及尘埃。彗核表面的蒸发是不均匀的,有时从某个小区域抛出物质“喷流”并发展成“包层”或“晕”,惠普尔和塞卡尼纳(Z.Sekanina)等由这些近核现象的观测资料推算出50多颗彗星的自转周期,一般为几小时到几天。

彗发光谱的分析研究表明,彗发中有尘埃、原子、分子和离子,有些是从彗核直接蒸发出来的母分子(如H2O、CO2、CO、HCN、CH3CN),有些是母分子离解的子分子(离子、原子),其中有地球条件下不稳定的“基”分子(如OH、NH)。太阳辐射对彗星的物理-化学过程起重要作用。霍布诺(W.F.Huebner)等计算了彗星中上百种反应过程和彗发结构模型。史瓦西(K.Schwarzchild)等提出,彗星分子吸收太阳辐射并再辐射(荧光过程),产生彗发光谱的发射线。德尔塞姆等研究了彗核的蒸发理论,利用彗星亮度观测资料,可求出蒸发率。哈舍(L.Haser)、费斯托(M.Festou)等提出分析彗发亮度的理论模型。1968年比尔曼(L.F.B.Biermann)预言彗星有巨大的“氢云”(或H彗发,发射Lα辐射),从1970年始在一些彗星的空间观测得出证实,氢云半径达107km。1968年芬森(M.L.Finson)和普洛斯坦(R.F.Prostein)发展了贝塞耳——勃烈基兴理论,用彗星的等亮度线资料可求出彗星尘埃的大小分布、尘埃和气体的流出率,一般为105~107g/s。

彗星常出现几条彗尾,按弯曲程度分为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型。光谱分析表明,弯曲的Ⅱ、Ⅲ型彗尾主要由尘埃组成,现常称作“尘埃彗尾”,Ⅲ型彗尾更弯曲是由于尘粒大、受到斥力小的缘故,斥力的本质是太阳的光压,彗星尘受到的斥力可达太阳引力的2倍多。直的Ⅰ型彗尾由离子气体(CO+、N2+、CH+等)组成,故又称作“气体彗尾”、“离子彗尾”、“等离子体彗尾”,离子受到的斥力可达太阳引力的几十倍到百倍以上,无法用太阳光压解释。1951年比尔曼为解释Ⅰ型彗尾而提出推测,认为太阳流出带电粒子流给彗星离子很大斥力,这种粒子流就是后来空间探测到的太阳风,因此,等离子体彗尾是太阳风的“天然探测器”。

1967年比尔曼等首先研究太阳风与彗星的相互作用,以后发展为内容丰富的当代重要课题,彗星的形貌类似于“地球磁层”,太阳风与外流的彗星气体相遇而形成弓形激波面,离彗核约106km;在此激波面与彗核之间还有接触间断面,离彗核约103~104km,分开近彗核的纯彗星等离子体与外面的太阳风一彗星混合等离子体。在混合等离子体区发生复杂的等离子体过程和现象。Ⅰ型彗尾常出现多种大尺度现象:尾射线、扭折、螺旋和波结构及断尾事件等。阿尔文(H.O.Alfven)提出,太阳风磁力线遇到彗星阻碍发生悬挂而呈折叠伞状,从而受磁场约束的彗星等离子体流形成尾射线并向尾轴折转。布兰德(J.C.Brandt)等提出,太阳风磁场扇形边界经过彗星折叠时,边界两侧极性反向的磁力线重联,使原来彗尾断开并远离;叶永煊等认为,断尾事件是高速太阳风造成彗星等离子体不稳定性的结果,焦克斯(K.Jockers)等提出,太阳风的变化导致彗尾扭折。布兰德、门迪斯(D.A.Mendis)等分别用各种等离子体不稳定性解释螺旋和波结构。

彗星每次回归都蒸发损失掉物质,一般损失掉0.1%~1%。多布罗沃尔斯基(O.В.Дoбpoвoλьcкцй)等得出,彗星回归几百到几千次后就耗尽了。彗星还会发生爆发和分裂,因而其寿命有限。彗星散布的物质成为行星际物质,彗星尘形成彗星轨道附近的流星群,地球穿过流星群时出现流星雨。

迄今已观测到1600多颗彗星,1950年奥尔特(J.H.Oort)作了彗星轨道统计研究,提出在离太阳3万到10万天文单位有球层式的彗星库——奥尔特云,估计那里有千亿颗彗星,走近的恒星摄动某些彗星,使其轨道改变而成为进入内太阳系的“新”彗星。最近又提出可能存在较近的内奥尔特云及柯伊约(Kuiper)带。

哈雷彗星1985~1986年回归时进行了大规模国际联测,从地面到空间,从可见光到紫外、红外及射电波段作了多种观测,并有6艘飞船莅临探测,取得大量资料和发现。例如,首次见到彗核真面目,其形状不规则,表面象煤一样黑,象陀螺一样又转动又进动;发现多种原来未知成分(如H3O+、N2H4、C2H2、NH3);微尘很多,有富含CHON尘,有富H或C的类球粒陨石尘,有富含Si、Mg、O、Fe尘;测量了磁场和多种等离子体现象;观测到多次爆发和喷流及彗尾大尺度现象,验证了以前的某些推测和理论,解决了某些争议又提出很多新问题。哈雷彗星的大量成果标志彗星的观测研究进入新时代。彗星现象丰富而复杂,需要开展更多更深入的观测和理论研究,已提出用飞船采彗核内部样品等计划。

【参考文献】:

1 Wickning L L. Comets. Tucson:University of Arizona Press, 1982

2 Swamy K S K. Physics of Comets. Singapore: World Scientific Publishing Co Ptc Ltd,1986

3 Mendis D A. Annual Review of Astnnomy and Astrophysics, 1988,26:11~49

4 叶永煊,吕保维主编.空间物理学进展.成都:四川科学技术出版社,1988.1~88

5 McNally D. Reports on Astronomy,1991,21A:137~149

6 Newburn R L,Neugebauer M,Rahe J. Comets in the Post-Hallev Era. Dordrecht:Kluwer Academic Publishers; 1991

(南京大学胡中为副教授撰)

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