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[趣味地理]彗星的起源及对地球的影响
时间:2006年04月18日07:21 我来说两句(0)  

 
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    关于彗星的起源目前较普遍的看法是:非周期彗星和长周期彗星来自奥尔特云,短周期彗星来自柯伊伯带,虽然人们并没有观察到奥尔特云和柯伊伯带,但仍然有些人相信它的存在,且在冥王星外侧发现几十个小天体,于是有些人认为这就是柯伊伯带了。
其实这两个观点都不正确,因为在所谓的奥尔特云和柯伊伯带里物质相当稀薄,不可能凝聚成脏雪球状的彗星核,就是那里有小天体,也很难进入到太阳系里面,因它受太阳的摄动力也太微弱了,太阳对它的摄动加速度都小于0.147×10-8和0.37×10-3cm/s2,而其它天体(如行星和外恒星)对它的摄动就更小了,不可能使那里的天体受摄后进入太阳系内部,所以即使有奥尔特云和柯伊伯带也不会产生彗星。


    彗星的真正发源地是太阳系里类木行星的光环,这是千真万确的事实。理由之一是科学家经过多年观测和近距离考查发现光环物质和彗星物质一模一样。彗核是由冰和其它易挥发物质的冰(笼形化合物)及硅酸物质高度不均匀的集合体构成的(格拉斯《行星地质学导论》327页),彗核温度低于200K,彗核是一种脏雪球状的物质。根据“先驱者11号”探测器提供的资料,土星环物质是由冰和冰包裹着的硅酸盐等物质构成,环物质颗粒含有笼形化合物,光环温度在93K以下,环内这些碎脏冰块实际也是脏雪球状的物质。二者在物质成分、结构状态、体积大小和密度都基本相同,而且都处于低温状态。这就证明光环物质和彗星物质是同一种物质。理由之二是光环具有不稳定性,它造成环物质脱离光环,四颗类木行星都有光环,海、天、木环暗弱些,土星环最为明亮壮观。以土星环为例,目前观测到土星环是由成百上千条细环组成,有些环明显的偏心了,F环成发辫状,表明它由几个环扭结在一起的,D环是从C环边界伸延到土星大气层,而外部的E环向外延续很远,达48万公里,这些现象表明土星环具有不稳定性。又如天王星的ε环呈椭园轨道,近星处窄而密,远星处宽且薄,光环取向不断变化,这也是光环不稳定性造成的。

    光环的不稳定性是客观存在的事实,已被观测所证实。那么它是怎样产生的?主要由于光环受本星体的潮汐作用和受到太阳、行星及众卫星的摄动,还受行星磁场和辐射带的影响,以及光环内物质间的相互碰撞。太阳和行星对地月系统的摄动使月球以每年3厘米的速度远离地球,同样的,太阳和行星对类木行星光环也必有摄动作用。又如木星和土星相互摄动,在相冲时的三年里,使木星偏离轨道40万公里,而土星偏离轨道为135万公里,那么二行星的光环也必受摄动。太阳和行星的摄动远没有众卫星对光环的摄动强烈,比如海王星光环受到海卫一的起潮力是月球对地球海洋起潮力的3倍多(虽然海卫一比月球略小些,但海卫一到光环距离不足30万公里,比月地间距离38公里要近些,所以起潮力也要大些),地球上海洋潮汐现象大家都看到了,那么海王星环的潮汐现象就可想而知了。光环还和某些卫星轨道发生共振,出现可公度周期,这就更加强了光环粒子的受摄作用。光环受到的摄动都是周期性的,犹如一个小孩荡秋千,每当秋千荡回来大人都推他一把,则秋千会越荡越高。光环里物质受到摄动后动能也会逐渐增加,经过长时间的能量积累,总有一天环质点的速度会达到逃逸速度,便从光环里飞出来了。光环的不稳定性势必造成环轨道发生改变,由园轨道变成椭园轨道,有一部分环物质形成抛物线或双曲线跑掉了,光环物质减少有两个去向,一是受本星体的潮汐作用使内环物质旋进落向本星体,如土星的D环就是这样形成的,另一个去向就是受环外天体的摄动使光环物质向外运动,如E环,最后,部分物质脱离光环进入太阳系内,这就是彗星。


    光环物质形成的彗星是否被我们观测到了?有。如1981年美国衣阿华大学弗兰克等科学家从“动力学探测者1号”卫星资料上发现大量小彗星闯入大气层上空,在15万公里高空时的速度近10km/s(有的资料为9.6 km/s),由此他们推想地球上的水是由小彗星带来的,那么这些小彗星是从何处而来?显然小彗星不可能在奥尔特云、柯依伯带和太阳系以外的地方,因为太阳俘获彗星的效率太低,也不可能在小行星带内侧,因为那里温度较高,不可能有冰质彗星存在,只有在外行星区间了,在外行星中土星环是由碎冰块组成的,它的逃逸速度恰巧是9.6 km/s,和小彗星的速度相当。这不是偶然的巧合,正说明小彗星是从土星光环里飞出来的,地球多处发现的陨冰也是从土星环里飞出来的。另一个事实就是1994年彗木相撞的现象,那颗苏梅克——利维9号彗星,1993年3月发现时距木星仅4°远,这个位置恰在木星的引力作用球边缘上,据约曼斯(D·K·Yeomans)和乔达斯(P·C|hodas)推算,这颗彗星至少从1990年就绕木星运行了,1992年7月8日过近木星点,1993年7月16日到达远木星点,然后再转向木星运行,于1994年7月与木星相撞。这已明明白白地说明这个彗星是从木星光环里飞出来又回落到木星上。假设它是外来彗星经过木星附近时被俘获来的,稍有物理常识的人都知道,它本身的动能不减少速度不放慢是不会进入绕木星轨道的,当然也就不会被木星俘获,它经过木星附近只能改变轨道方向或者增加速度。苏梅克——利维9号彗星的偏心率很接近木星的轨道偏心率,近园形轨道又说明了什么?任何一颗彗星由椭园轨道演变成近园轨道必须有几十个运行周期不可,可在这之前谁也没发现它, 这不会是所有天文观测者的疏乎吧,显然在这之前它不是彗星,还在木星光环里呢。上述这两个事实足以证明彗星是从类木行星光环里产生的。


    那么环质点是怎样从光环里跑出来形成彗星的呢?首先应该知道每个光环都有三个速度值,即环绕速度、逃逸速度和脱日速度(即脱离太阳系的第三宇宙速度)。以海王星1989N1A环为例,它相对海王星的环绕速度是10.44 km/s,逃逸速度是14.76 km/s,脱日速度是14.93km/s,光环质点长期受到摄动作用动能会逐渐增加,质点速度越来越大,环轨道也就逐渐拉长,由圆轨道变成椭圆轨道,其远星点总是朝向太阳方向,近星点则是背向太阳方向。在近星点速度最大,远星点速度最小,当环质点速度值达到逃逸速度14.76 km/s时,质点刚好到达海王星引力作用球边缘,此际它将以太阳引力作用为主,进入绕太阳运行的日心轨道,这时质点的日心速度和海王星的公转速度一致,即为5.43km/s。当环质点速度大于14.76 km/s小于14.93km/s时,环质点到达海王星引力作用球边缘的速度要大于零,这时质点速度和海王星公转速度的矢量和是它进入太阳系的初始日心速度,质点成了绕太阳运行的周期彗星,轨道为椭圆形。显然环质点在光环里速度越接近14.93km/s,则它形成彗星的椭圆轨道会拉得越长,运转周期也会越长,这就是长周期彗星。如果环质点在光环内的速度等于或大于14.93km/s时,则它将飞出太阳系形成非周期彗星,轨道为抛物线或双曲线。我们注意到环质点的逃逸速度和脱日速度仅有0.17km/s的微小差距,在这狭窄的速度区间内形成的是周期彗星,实际上质点运行到引力作用球边缘时往往速度会略大些,就要形成长周期彗星或非周期彗星多一些。其它行星的光环也都有同一性质,所以我们观测到的短周期彗星仅占五分之一,而长周期彗星和非周期彗星要占五分之四。

    四颗类木行星光环飞出物形成周期彗星的日心速度范围是:(速度单位用km/s)海王星环彗星为5.43——7.68,天王星环彗星为6.8——9.6,土星环彗星为9.6——13.6,木星环彗星为13.06——18.5。计算表明短周期彗星平均轨道速度都在上述速度范围内,唯有恩克彗星例外,它的平均轨道速度是19.8 km/s,超过18.5 km/s,原来它已运行60多个周期,呈现轨道长半径缩短周期变小的状态,它的平均轨道速度增大了,某些长周期彗星的平均轨道速度小于5.43 km/s,这是怎么回事?原来这些彗星从光环里飞出来速度很大,接近脱日速度,在距太阳遥远处入轨,平均轨道速度要小于5.43km/s。通过计算彗星的平均轨道速度可以大致判断它的来源。以大家熟知的哈雷彗星为例,它的平均轨道速度是7.06 km/s,轨道逆行,彗星核黑,它从何处而来?天王星光环与公转轨道成98°交角,从这个光环飞出来 的物质最易形成逆行轨道,又知环物质反照率为0.04,呈暗黑色,和哈雷彗星核颜色一样都是黑色的,天王星环彗星的轨道速度范围是6.8——9.6 km/s,而哈雷彗星平均轨道速度恰在此范围内,可以断定哈雷彗星是从天王星环里产生的,用同样方法可大体判断短周期彗星的发源地。


    那么奥尔特云和柯伊伯带是否存在?笔者认为,当非周期彗星从太阳系内部飞出来一去不复返时,它可能还在太阳的引力作用范围内,有可能在那里形成“云”或“带”,但这不是彗星的发源地,而是彗星的归宿地,那里的彗星经过长时间自然升华,彗星核会自动解体变成宇宙尘了。
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(责任编辑:汪春)



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