天文学教程上册：彗星性质与物理化学过程

彗星呈现的各种形态和现象与彗星的组成成分有关，也与太阳辐射和太阳风的作用有关。长期以来，人们通过彗星的光谱资料分析来得到彗星的成分，并建立一些模型来描述彗星的形态和运动。

7.2.3.1　彗星的物质成分

实际上观测的是彗发和彗尾的光谱，其特征是连续光谱背景上有许多分子、原子和离子的发射线或发射带（见第4章图4-7），说明彗发是由尘埃（散射太阳光的连续光谱）和一些分子、原子和离子（发射线、发射带）组成的。光谱观测又从可见光波段扩展到紫外、红外和射电波段，识别出的成分列于表7-2。

表7-2　彗星中已认证的化学成分

彗星物质成分的定量分析较难，至今仅有少数结果。哈雷彗星包括了飞船采样的结果，16种主要元素（C、N、O、Na、Mg、Al、Si、S、K、Ca、Tl、Cr、Mn、Fe、Co、Ni）的丰度与CI陨石的丰度基本符合，但氢较为贫乏。考虑到化学过程，彗星的主要成分是H2O，其次是C2O，红外光谱有硅酸盐的发射特征（波长为10μm和18μm）。应当指出，这些结果主要是从彗发资料推求的，未必代表彗星本体——彗核的成分。就彗发的气体／尘埃比率而言，各彗星也有差别，例如，百武彗星是少尘的，而Hale-Bopp彗星是多尘的。一般地说，彗核有挥发物和不挥发物，从彗核“蒸发”而成为尘埃或气体。挥发物主要是冰，或纯冻结的，或捕获在非结晶冰及固态水合物（clathrate hydrates，在冰的晶格中嵌有其他成分的小晶体）内。

7.2.3.2　彗发的物理-化学过程

综合彗星的观测研究，彗发的尘埃特征和气体特征和有关物理-化学过程示于图7-44。

图7-44　彗星的气体（左）和尘埃（右）特征

彗星的各种形态和现象既与彗星的性质、又与太阳辐射和太阳风的作用有关。当彗星离太阳很远时，基本是赤裸的彗核，太阳辐射照射彗核表面，被吸收的能量部分地转化为彗核的热辐射，小部分用于加热彗核表层及蒸发。当彗星运行到离太阳约2 AU时，彗核表面温度约200 K，H2O冰升华更有效，外流气体曳引出尘粒和冰颗粒，彗发开始发展。

从彗核升华出来的是母分子（H2O、HCN、CO2等），它们被太阳辐射离解（光致离解）或发生化学反应，生成子分子，例如H2O→H＋OH。子分子大多数是地球条件下不稳定的“基”（OH、CN、CH、NH2等），它们受太阳辐射作用而激发，并发出荧光辐射，形成彗发和彗尾光谱中的发射线或发射带，于是观测到亮彗发，其范围达104～105km，而H云达107km（H原子发射Lα），这些子分子以每秒十分之一千米到每秒几千米的速度向外流出。母分子和子分子又被太阳辐射电离（光致电离），或其他电离过程、化学反应，与太阳风离子发生电荷交换反应，生成彗星离子。

从彗核表面出来的尘粒形成尘埃彗发。尘粒散射太阳光，也发射连续的红外辐射及波长为10μm、18μm的硅酸盐辐射。在太阳辐射压的推斥作用下，每个尘粒相对于彗核做抛物线轨道运动，流向背太阳方向，形成尘埃彗尾，而在朝太阳方向各尘粒轨迹有一个限定的包络——尘埃彗发范围。当彗星运动到离太阳很近时，尘粒也被太阳辐射离解而产生原子谱线。

彗星每次回归中（尤其日彗距小的时期）都蒸发丢失部分物质（0.1%～1%），因而彗星的寿命有限，彗星的分裂或撞击其他天体则使其衰亡更快。

7.2.3.3　彗发模型

彗发亮度从内向外减弱，这表明物质密度内密外稀。彗发的大小和亮度随着离太阳距离而变化。各种成分在彗发中的分布情况也不同，因而常就某种成分而称为CN（氰）彗发、OH（羟基）彗发、H彗发（氢云）、尘埃彗发等。因为不知道各种成分的比率，很难分析研究泛色或彩色底片所摄彗发，更有意义的是光谱片或用窄带滤光片所摄的彗发单色像。

1）气体彗发模型(www.xing528.com)

由观测的亮度径向分布拟合理论模型而得到标高、产率。从几十颗彗星的研究得出，归算到日彗距1 AU，CN彗发标高为4×104～2×105km，其母分子（可能是HCN或CH3CN）标高为1.67×104～5×104km；C2标高为6×104～1.5×105km，其母分子（可能是C2N2）标高为1.17×104～4.54×104km。OH彗发和C3彗发一般为几万千米，而氢云可达107km。

2）尘埃彗发-彗尾模型

太阳对彗星尘既有引力Fg作用，又有辐射压斥力，斥力Fr与引力Fg之比为

式中，a是尘粒半径（单位为cm），ρ是其密度（单位为g／cm3）。可见，半径和密度大的尘粒受到的辐射压斥力小；而小尘粒受到的辐射压斥力大，达Fr／Fg=2.2。

若尘粒从彗核抛出的初速为v0，它就在太阳的有效引力（Fg-Fr）作用下，绕太阳做双曲线运动，可以求得它相对于彗星中心（彗心）运动的近似公式，很多同样尘粒相对彗心运动的轨迹的包络就是（顶点朝太阳的）抛物线，这可以解释观测到的近彗核包层。

7.2.3.4　太阳风与彗星的相互作用

类似于行星磁层，超声的太阳风与外流的彗星气体相遇时，形成弓形的外激波面，离彗心约106km。接触间断面或电离层顶离彗心约104km，此面之内的区域主要是彗星气体控制各种过程；其外，主要是太阳风控制彗星离子的行为，太阳风驱使彗星离子向彗尾方向流动而形成等离子体彗尾。在激波面与接触间断面之间的区域，超声太阳风被外流彗星气体阻尼，发生湍流，太阳风磁场也被扰动，产生波-粒子相互作用的很多复杂而有趣的过程和现象，如等离子体波。太阳风及其耦合磁场常发生扰动变化，作用于等离子体彗尾，导致风差角改变，以及彗尾扭折不稳定性、螺旋结构和云团等结构，如图7-45所示。

图7-45　太阳风与彗星的相互作用

7.2.3.5　彗核模型

虽然彗发和彗尾的现象壮观，但是，归根结底，这毕竟是从彗星本体——彗核蒸发出来的少部分物质所发生的现象，其根源还在于彗核的性质和过程。然而，对彗核的了解甚少，只有根据已取得的资料，借助合理的假设和理论来建立彗核模型。

牛顿曾提出砂砾模型（sand-bank或gravel-bank model）。当时发现某些流星群与相应彗星有演化联系，认为彗星是一团固态质点（流星体）的松散集合体——砂砾，并含有气体，在太阳的活化作用下，产生彗头和彗尾活动。后来提出的类似模型，虽然可以解释彗星瓦解为流星群的现象，但不能满意地解释彗星的气体／尘埃比率、彗星爆发及轨道变化，因而被致密核模型（compact-nucleus model）取代。虽然以前也提出过彗核石块、冰块看法，但论证不够。1949年，惠普尔提出冰冻团块（彗核）模型（ice-conglomerate model），俗称脏雪球（dirty snowball），认为彗核是由冰和尘埃冻结在一起的整体团块。这类模型可以较满意地解释很多彗星现象，并被发展为各具特色的多种模型。图7-46是彗核的一种模型。

图7-46　彗核的一种模型

就飞船探测的彗核而言，有相似性，也有些明显差别。相似的是形状不规则、表面高低不均匀，一般都很暗——说明含有碳物质或有机物。差别在于表面受陨击和构造特征及性质的不同。总的说来，由于冰的蒸发、太阳辐射和宇宙线的作用、流星体的撞击，彗核表面已发生了相当大的改变，观测情况还不能很好地反映彗核整体内部性质，只是彗核分裂、新鲜陨击坑或多或少暴露出邻近原表面下的情况。现在资料至少说明各彗核有很大差别，至少分为三大亚类：脏雪球（dirty snowball）、多雪的脏球（snowy dirtball）、脏的冰球（dirty iceball）或冰的脏球（icy dirtball）。

很多彗核仅部分表面是“活动”的，发出喷流，而大部分（90%以上）表面是不太活动或不活动的，蒸发的气体和尘埃不多。出生于英国的美国天文学家D.C.朱维特（David C.Jewitt）等提出，彗发中速度小于逃逸速度的物质回落，沉积在彗核表面而形成外壳。柯伊伯带天体、人马怪天体、活动彗星、死亡彗星的彗核表面都有暗红覆盖层，这是由于表面的有机物长时间受太阳辐照或空间“风化”作用而变为暗红色。由于流星体撞击、局部内应力以及接近太阳而受热蒸发增强，彗核局部“活化”而发射喷流活动；随后，彗发物质回落而沉积在彗核表面，改变表面颜色。各彗核表面显示相当复杂的情况。还应指出，地面望远镜观测的彗头中央小亮斑并不是真彗核，而是光度核或假彗核，实际上可能是彗核抛出来的“冰粒晕”，其半径达几百到上千千米。