第2、3讲_彗星、陨石流星雨

彗星、陨石、流星雨彗星轨道彗星的轨道有椭圆、抛物线、双曲线三种。椭圆轨道的彗星又叫周期彗星，另两种轨道的又叫非周期彗星。周期彗星又分为短周期彗星和长周期彗星。一般彗星由彗头和彗尾组成。彗头包括彗核和彗发两部分，有的还有彗云。并不是所有的彗星都有彗核、彗发、彗尾等结构。由于彗星是由冰冻着的各种杂质、尘埃组成的，在远离太阳时，它只是个云雾状的小斑点；而在靠近太阳时，因凝固体的蒸发、气化、膨胀、喷发，它就产生了彗尾。彗尾体积极大，可长达上亿千米。它形状各异，有的还不止一条，一般总向背离太阳的方向延伸，且越靠近太阳彗尾就越长。宇宙中彗星的数量极大，但目前观测到的仅约有1600颗。彗星的轨道与行星的轨道很不相同，它是极扁的椭圆，有些甚至是抛物线或双曲线轨道。轨道为椭圆的彗星能定期回到太阳身边，称为周期彗星；轨道为抛物线或双曲线的彗星，终生只能接近太阳一次，而一旦离去，就会永不复返，称为非周期彗星，这类彗星或许原本就不是太阳系成员，它们只是来自太阳系之外的过客，无意中闯进了太阳系，而后又义无反顾地回到茫茫的宇宙深处。周期彗星又分为短周期(绕太阳公转周期短于200年)和长周期(绕太阳公转周期超过200年)彗星。彗星的结构---彗核、彗发彗核(nucleus)：距离太阳远时（大于5天文单位）唯一存在的部份；形狀不规则；大小只有数公里（如形似花生的哈雷彗星核大小为短轴8公里，长轴15公里）；成分有如“脏雪球”，也就是冰（水、甲烷、氨）与尘粒（如陨石般的矽化物、金属）的混和；反射率低（如哈雷彗星约为0.03）彗发(coma)：接近太阳時，冰蒸发；分子（水、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氨）分解、游离。气体分子逐渐分解，以约1km/s的速度离开彗核，尘埃则因为黏滯、碰撞也同时跟着向外运动。直经约数万到数十万公里。彗星的结构---彗尾、包晕彗尾(tail)：蒸发、游离的物质受來自太阳的力，推向背离太阳的方向，长约千万公里，甚至达一亿公里多。　包晕(halo)：围绕在彗星头部之外的氢原子云气，可绵延千万公里（比太阳还大！）尘埃尾：弥散、弯曲；太阳辐射照在它们上面产生的压力大于來自太阳的万有引力，尘埃颗粒反射阳光形成了尘埃尾，尘埃尾中的尘粒会受到太阳重力场的影响而略偏向太阳，这正是尘埃尾並非恰在彗星与太阳的反侧，而略弯向太阳的原因。离子尾：狭长、笔直；由游离分子組成、色蓝。推力來自太阳表面喷散出來的物质（称作太阳风）在地球轨道附近，太阳风的物质为游离氢（也就是质子与电子），其密度约为每立方公尺百万到千万个粒子，时速约每秒五百公里。彗尾种类彗星的結構1.彗核離子尾（藍色）3.彗尾＜2.彗髮塵埃尾（灰黃色）彗髮和彗尾的形成原因彗核接近太陽的時候，受熱而釋放出氣體和微塵，形成彗星發光的頭部—彗髮，當它進一步接近太陽，太陽風(太陽發射的帶電粒子)會把這些氣體和微塵向後推，形成美麗而壯觀的彗尾，這也是彗尾為永遠背著太陽的原因。彗尾特性彗星的彗尾永远背向太阳，彗尾的形狀随时都有变化。离子尾：由电离物质构成。质点较小，受太阳辐射压和太阳风的作用较大，往往形成细直的长尾。离子尾物质的颗粒，与可見光的波长相当。蓝光受到大角度的散射，甚至与阳光原进行方向反向，故离子尾的颜色呈淡蓝色。这与晴空为何是蓝色的理由完全相同。尘埃尾：尘埃物质构成的，物质颗粒较大，颗粒受太阳风的影响较小，往往散布较宽且落在奔向太阳的彗星之后呈弯曲状。远大于可见光的波长，故只反射太阳光而呈白色。哈雷(Halley)彗星周期76年，最近一次接近太阳是在1986年，下次来临则要等到2062年了。牛頓的好友哈雷依照牛頓运动定律，计算出许多彗星的轨道；他发现1682年大彗星轨道，跟以前出现的轨道相同，之前是在1531年及1607年出现，前后也相差76年；后來这颗大彗星就称为“哈雷彗星”。哈雷在1705年对世人做了预言，这是首次有人预言彗星的出现，1758年圣诞节（刚好是牛頓的生日，真是美好的巧合），它又再次出现于世人眼底。哈雷彗星于哪一年回归，加76年就是它下一次回归的年份，那可不一定正确。由于彗星质量很小，当它运行经过较大的行星（如：木星）附近时，很容易受行星引力影响而改变轨道；再者，每次行经太阳附近时，受太阳照射，都会损失质量，这也会影响轨道。据科学家推测，哈雷彗星的周期大约在76.0年到79.3年。不过相对于其他彗星，哈雷彗星仍旧是颗非常活跃、周期稳定的彗星。哈雷(Halley)彗星海尔波普(Hale-Bopp)彗星海尔波普彗星是1995年7月23日由AlanHale在新墨西哥及ThomasBopp在亞利桑那共同发现的。在台灣观赏此本世纪最明亮的彗星，在1997年二月及三月中旬的清晨在东方及1997年三月下旬至四月傍晚的西边。海尔波普(Hale-Bopp)彗星彗星撞木星「休梅克－列維九號」（Shoemaker-Levy9）彗星接近木星後被分裂成約21個碎塊，長達三億公里的這串「珠鍊」於1994年七月十六日～二十二日陸續撞上木星。撞擊所釋放出的能量遠大於人類擁有的全部核子武器的威力，而在木星的大氣留下十數個撞痕，有的相當於地球的數倍大小。類似的事件在太陽系的歷史中也曾發生過，甚至地球上生命的起源及演化都可能和彗星的撞擊有密切的關係。這是人類歷史上第一次早期預測到天體的撞擊，並且安排了有組織的觀測計畫。Shoemaker-Levy9彗星撞木星隕石(Meteorite)陨石是外太空星体爆裂后的碎块，在进入地球大气层时沒有完全被烧毁和蒸发，以至掉落到地上便形成陨石。一般陨石分为三大类：铁陨石、石陨石和石--铁陨石，以后者较罕见。陨石撞击地球，可能是导致恐龙灭绝的其中一个原因。于6500万年前(白垩纪)，一顆相当于100亿枚原子弹能量直径大约十公里的巨型隕石曾撞击地球，因撞击而造成大量的尘埃经由大气层扩散至成层圈，导致地球持续了很久的黑暗状态，溫度急剧下降，亦引发巨型海啸等，以恐龙为首的65%生物都因之而绝种。中国玻璃陨石捷克陨石中国广西铁陨石陨石种类展(I)陨石种类展(II)Brenham石铁陨石于1810年在俄罗斯Brenham所发现，是20公斤的碎片，含橄榄石37%，又含大量的黑色铬酸盐杂物。上图：一万三千年前掉到地面的火星陨石。下图：美国太空总署的研究群，对火星陨石所拍的电子显微镜照片。图中心蚯蚓狀的突起物的宽度約是人发的百分之一，而学者相信它是火星微生物的化石。火星陨石及微生物春秋时代，在宋国所发现的五顆陨石，或许是中国历史上年代最久远的陨石记录。秦始皇三十六年，有流星坠于东郡，落地成为陨石，有百姓在石头上刻”始皇帝死而地分“等字，始皇听说后，就派人将落石附近的居民全部杀死，并将陨石毁坏。史书中有些关于陨石的记载：隋大业十二年五月癸巳有大流星从北來，磨拂竹木，皆有声，至吴郡城下坠地，时刘元进举兵據郡，見而惡之，令掘地入二丈，得一石，经丈余。清康熙十五年五月有星隕瓢湖岸，墜地有聲，居民掘之，見一黑石，手按尚熱，重十九斤，擊碎，以刀磨之，火光四射。中国古代陨石描述巨大隕石坑大约5万年以前，一颗巨大的铁镍陨石以每小时4万英里的高速，猛烈撞击亞利桑那北部的岩石平原，爆炸威力超过了2千万吨的黃色炸药。陨石直径大约有150英尺宽，重达几十万吨，在短短的几秒钟内，留下了700英尺深，4000英尺宽的大洞。围绕着洞口形成一個150英尺高的环状山丘。直到今天，陨石坑还有550英尺深，周長2.4英里。底部平坦的部分有20个美式足球场大，周围的斜坡上，則足以容纳2百万名观众！Arizona陨石坑(BarringerCrater)位置：西京111.2度北纬35.3度陨石湖嘉明湖位于三叉山東南山坳，標高3310米，大小约330米×220米，深约35米，呈长椭圆的蛋型轮廓，地属台東。表面地质以板岩层为主，夾帶少量黏土矿物，湖畔布满大大小小有棱有角的褐色碎石，由于附近地区无近期火山活动与高温高压之变质岩，因此应可判断是高溫爆炸下所产生的坑穴，但仍需加強搜寻陨石碎片、高溫矽化现象之矿石，撞击时高温所产生的特殊矿物及熔融物质与探勘底层反转现象，方可却认为陨石撞击的遗迹。湖周围有碎石滩，石块有棱有角，且湖水终年不枯竭，经查阅，大陆有类似陨石撞击点，有数个撞击后产生的洼地，湖水亦不枯竭，且水池边缘有褐色矿石，与Arizona陨石坑颜色相近。嘉明隕石湖陨石事件发生年代陨石大小周围地理景观及相关事件嘉明湖(铁陨)1-2万年前10m~20m距100km处有甲仙、菜寮化石群（約1-2萬年前）Arizona(铁陨)5万年前200m距100km有木化石公園，木化石有均勻斷裂現象是否與隕石墬落有關？（該公園木化石約2億年前形成）澎湖2000萬年前500m許多化石有熔融呈玻璃的現象墨西哥灣(碳质球粒隕石)6500百萬年前10km造成孔龍大滅絕西伯利亞通古斯通事件(冰核彗星)A.D.190870m造成附近林木傾倒，面積達1000平方公里，馴鹿即狗有些因而死亡。　隕石撞击事件澎湖畔的地形与地质特征地形上具有环状构造大倉嶼为中央突起澎湖到北港呈現环状隆起的波狀构造南方周围小岛有玄武岩底部的沉积岩露出，呈碎屑狀，其中包含粉砂岩、砂岩，石灰岩粉砂岩有层黑色的玻璃质碎屑(以上为陨石坑的特征）澎湖为陨石坑?以澎湖为中心的基盘隆起现象以澎湖为中心的环状重力异常分布(以上为热点—火山的特征）May20,2001生物意大利国家科学委员会与那不勒斯大学，宣称已找到並使一顆45亿年前的陨石中的外星微生物复活。这个被称为『cryms』的細菌，在上亿年艰苦的环境中一直保持静眠，『但当遇到生理溶液时，他們变得有活力並开始运动』。科学家们复制並比较活体细菌的DNA序列，他们的基因体序列与地球上的任何已知生物都不同。然而发现外星生物的最大争议，便是陨石可能受到地球細菌污染，隕石样本在放入溶液之前，已经过摄氏950度与酒精浸泡的消毒。若是这个发现为真，则将支持1900年SvanteAarhenius提出的『胚终论』，即认为地球的最初生命來自外太空。隕石中复活的外星生物流星的形成太阳系里，除了八大行星、几十个卫星、数以千计的小行星，以及周期性或不定期來访的彗星之外，还散布着成千上万的冰块和灰尘颗粒，和太阳系的其他星体一样绕着太阳公转，由于这些颗粒质量小，易受质量较大的地球重力或太阳风影响，有机会坠入地球形成“流星”，因此这些顆粒一般称为“流星体”。除了太阳系初期形成的流星体之外，那些远从太阳系外缘来访的彗星，也会带來大量流星体，这些流星体成群掉落地球后，就形成了我们夜晚所看到的美丽流星雨。流星体的大小流星：太空中的尘埃、冰块等顆粒，受地球重力吸引掉入地球，和大气摩擦而发光，在夜晚出現一道划过天空的光线。中国民间常把它称为“贼星”。肉眼常見光度大约2等星的典型流星，其流星体顆粒通常小于0.001公分；彗星造成的流星体，密度大多在每立方公分0.3公克左右。另有一些流星雨可能是小行星的碎片造成的，例如：双子座流星雨，这类流星体的密度大约是每立方公分2公克，比彗星流星体硬得多了。陨石：掉入地球的外太空物体，因其质量较大或密度较高，通过大气时尚未燃烧完毕就到达地面，称为陨石。火球：比火流星更亮的流星，看起來好像一顆在空中高速飞行的火圈，通常质量大到會落到地面成为隕石的外太空物体較易形成火球。流星有单个流星、火流星、流星雨。单个流星的出现时间和方向沒有什么規律，又叫偶发流星。火流星也属偶发流星，只是它出現时非常明亮，像条火龙且可能伴有爆炸声，有的甚至白尽可見。许多流星从星空中某一点（辐射点）向外辐射散开，这就是流星雨。陨石是太阳系中较大的流星体闯入地球大气后未完全燃烧尽的剩余部分。流星体的种类火流星随着地球和流星体碰撞的角度及方式的不同，流星体相对于地球的速度，可从每秒11公里到最快的72公里。地球和流星体就像是兩个球一样，如果正面对撞，相对速度最大；若是地球追上流星体則相对速度最小。大部分的流星在离地面80至120公里的高空开始发光，当流星速度和质量愈大时，流星消失的高度也就愈低，例如：火流星有时会冲到离地面一、二十公里处，还有机会听到流星体摩擦大气所产生的爆裂声。流星体的速度与高度流星的光芒，其实是流星体和空气分子共同产生的。当流星体以极高的速度进入大气时，具有很大的动能，和空气摩擦生热的结果，使空气中的分子（如氮气、氧气）和流星体形成带电离子气体，而且受到能量影响，不同元素会发出不同波长（颜色）的光，在夜空中留下持续一段时间的光芒。能量的高低会影响不同原子发光的情形，可借由流星的颜色分析出流星的速度。较高速的流星，能量较高，可以游离分解钙金属而发光，例如：英仙座流星雨；而镁、钠、铁等元素則较常出現在慢速流星，例如：双子座流星雨。流星为什么会发光？几千年前人类就开始对天空产生好奇，在历史上留下了各种天文景象的记录。研究这些记录发现，大部份的流星是随机出現，而出現位置也不固定；但有一些流星呈规律性的出现，或出現位置是从夜空某一特定位置散射出來，而且在短时间內出現大量的流星，若一小时內出現的流星数目达数十颗或上百颗时，称为”流星雨“；若出现数量达几百颗或者几千颗时，则称为”流星暴“。什么是流星雨？当彗星接近太阳时，受太阳风影响，会不断拋出许多灰尘，也就是流星体。流星体会沿着彗星轨道散布，形成一条环状灰尘流。但流星体並非一直留在轨道上，而会受到太阳风影响、本身內部互相碰撞，或其他行星重力影响。当地球穿越彗星軌道附近时，流星体会受地球重力影响坠入大气层，形成流星；若地球重力捕捉到的是一大群彗星流星体，就形成了流星雨。在地球上並不是每个地方都能同时看到流星，只有当流星体坠入地球大气层时，该地区刚好是夜晚，才能看到流星雨的景象。若想看到壮观的流星雨，最好的机会是，造成流星体的母彗星经过地球公转轨道附近，而地球恰好也接近彗星轨道的時候，例如：1966年11月16日的獅子座流星暴期间，美洲观测者每小时可看到约6万颗流星。彗星是流星雨的母亲流星雨的周期流星雨的周期便和母彗星的周期有密切关系。若彗星周期短，或彗星留在轨道上的尘埃数量很多，則每年地球经过彗星轨道时都可捕捉到很多流星体，我們就可定期看到流星雨，例如：8月的英仙座流星雨、10月的猎户座流星雨。若彗星轨道上的流星体分布不均匀，或母彗星周期较长，則只有母彗星接近时才有较多的流星体，例如：獅子座流星雨的母彗星，坦普－塔爾特彗星，其周期約33.2年，我们大約每33年可以看到一次壯观的流星雨，而这个时期流星的数量远大于平时地球行经彗星轨道时的数量，所以此时也称为流星雨的极大期。流星雨來临的夜晚，大部分的流星看起來好像是从天空某一特定位置向四面八方散射出來，彷佛在此位置上存在一个星体专门來散射流星，而且这个位置还会随着时间像其他星体一样移动，我们称此一特定位置为”辐射点“。造成这现象的原因是，在彗星轨道上成群移动的流星体，绕太阳运行的方向是一致的，当地球遇到这群流星体时，流星体平行落入地球，对地球的观测者來说，流星冲入的方向就是辐射点的方向。向辐射点望去就如同站在铁轨上往远方眺望，两道铁轨好像从远方同一点延伸过來，铁轨就好比流星路径，远方那一点就是辐射点。流星雨的辐射点流星雨的命名辐射点的位置像星座一样固定，依据流星雨辐射点所在的星座來为流星雨命名，例如：獅子座流星雨就是因为辐射点位于狮子座而得名。右图为一颗2001年獅子座火流星每天掉在地球上且亮度超过5星等的流星大约有一亿颗，每年掉到地球上的流星也超过两千吨。平均來说，偶发性流星每小时大约五到六颗；在流星雨來临期，大約可以达到每小时一、二十颗。只有少数的流星雨期间，例如：英仙座流星雨、獅子座流星雨，可达到每小时四、五十颗甚至更多。影响流星出现的因素虽多，主要还是不同流星雨期间，地球穿过的流星体丰富程度不同決定了流星数量的多寡。此外，若地球接近流星体时，迎向流星体的那一面刚好是下半夜，我們所看到的流星数目会远多于上半夜。这就像在雨中开车时，迎着雨的挡风玻璃雨势看起來较大的道理是一样的。流星雨在哪里?图为11月17日～19日凌晨2时东方天空之示意图，此時辐射点仰角約33度獅子座流星雨獅子座流星雨的历史(I)獅子座流星暴的故事是从1833年11月13日美洲西部的凌晨开始。当许多人还在睡梦中时，突然漆黑的大地居然一片光亮，原來从天空降下了如暴雨般的流星，有些流星竟然和滿月一樣亮，可以在地上照出清楚的影子。据描述，每小時约可看到十万颗流星，天空中同时出現10到15条流星痕，有些流星痕甚至停滯近20分钟，像一条条盘旋于天空中的巨蟒，十分壮观。在1833年獅子座流星暴发生后，科学家从西元902年到1833年的各国历史资料中，找出了同样发生在十一月的流星雨记录，並发现其中有33.25年的周期性。天文学家根据此一周期大胆地预测了下一次獅子座流星暴將在1866年发生。果然，1866年11月欧洲地区再度观测到每小时5,000颗的流星暴奇景。计算出流星群的轨道位置后，天文学家发现它与周期彗星坦普-图塔的轨道一致，了流星雨中的流星体物质是來自这颗彗星。1899、1933年獅子座流星暴连续兩度失約，使得大众对天文学界的预测丧失信心。当1966年11月17日獅子座流星雨再度发威时，令许多的观测者痛失良机，根据观测记录，这次流星雨极大时达每小时15万颗，可为是世紀超級流星暴！1998年坦普‧图塔彗星再度回归，亦层預言獅子座流星雨极大將发生在1998年十一月十七日世界时19:43，每小时数量約有200～5,000颗。結果，1998年出現的獅子座流星雨极大时间比预言足足早了十八个小时，在世界时1:40出现了每小时平均340颗。獅子座流星雨的歷史(II)左图1998年11月17日意大利上空穿透云层的火流星。右图1998年11月17日摄于意大利，十五分钟內天空中出现八颗火流星。1998獅子座流星雨2001/12/20SherryButtnor2001獅子座流星雨2001/11/30摄于中橫夫妻树，左图正对着北极星，右图拍的是猎户座的腰帶三星PeterLin2001台灣獅子座流星雨