现代科技综述知识文库：彗星

1、现代科技综述系列彗星科技是人类区别于动物的重要文明之一，是人类对自然规律研究和利用的学科。本文提供对科技基本概念“彗星”的解读，以供大家了解。彗星俗称“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、

2、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(EHalley)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

3、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(FWBessel)提出彗星排出质点并受到太阳的辐射斥力，1903年勃烈基兴()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10101016kg，也有少数更多些或更少些。彗核很难直接观测

4、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16km8km8km。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(FLWhipple)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(AHDelsemme)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

5、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(ZSekanina)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(WFHuebner)等计算了彗星中上百种反应过程和彗发结构模型。史瓦

6、西(KSchwarzchild)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(LHaser)、费斯托(MFestou)等提出分析彗发亮度的理论模型。1968年比尔曼(LFBBiermann)预言彗星有巨大的“氢云”(或H彗发，发射L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(MLFinson)和普洛斯坦(RFProstein)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105107gs。彗星常出现

7、几条彗尾，按弯曲程度分为、和型。光谱分析表明，弯曲的、型彗尾主要由尘埃组成，现常称作“尘埃彗尾”，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

8、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103104km，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。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(HOAlfven)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(JCBrandt)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

9、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(KJockers)等提出，太阳风的变化导致彗尾扭折。布兰德、门迪斯(DAMendis)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01%1%。多布罗沃尔斯基(Oopooc)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(JHOort)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

10、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19851986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

11、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 ofAstnnomy and Astrophysics, 1988,26:1149 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，1