流星現象大家都很熟悉,但流星的閃光是怎樣產生的?它發生在什麼高度上?對流星高度的研究又有什麼意義?這裡向大家簡單談談這些問題。
有人說流星是仙女的眼淚,有的人認為流星是天使劃的一根火柴,有的人講流星是天上掉下來的星星。但古希臘人認為流星不是真正的星,因為不論有多少流星落下來,天上星星的數目還是沒有減少。古希臘哲學家亞里斯多德曾推測:流星是發生在地球大氣層裡的瞬時現象。他的推測較為接近問題的實質原來,在太陽系的行星際空間裡,有數不清的叫做流星體的小顆粒和塵埃,它們是望遠鏡都觀察不到的「小不點兒」。但它們仍然在太陽的引力作用下以每秒幾十公裡的速度運動著。當這些行星際空間的「小不點幾」闖入地球大氣層時,與空氣發生碰撞摩擦,可產生幾千度甚至幾萬度的高溫。在這樣的高溫下,流星體很快被融化、蒸發和氣化,形成流星現象。有的流星體的質量較大,進入地球大氣層後來不及燃燒完畢就落到地面,成了隕石。
流星體與空氣摩擦而加熱的過程比較複雜,我們暫不去研究。但是,流星體從行星際空間離入地球大氣層開始,只有與空氣碰撞摩擦到一定程度後才開始發光被我們看見,它的燃燒也有一定時期。這樣,流星輝跡的出現和消失都有一定的高度範圍。在對流星的研究中照相技術和無線電技術得到了廣泛應用,利用電波的傳播時間,天文學家們可以計算流星輝跡出現和消失的地面高度。圖1中表示了流星輝跡(火流星和隕石除外)出現和清失的地面高度與流星出現數目(顥率)的關係曲線。從這兩條曲線可以看出:流星輝跡出現的地面高度約在15~60公裡的範圍內,在115公裡附近開始出觀的可能性最大:而流星輝跡消失的高度範圍約在120~35公裡之間,流屬輝跡消失的最大可能是在離地畫75公裡的高度上。
在流星輝跡消失的曲線上,值得注意的是:在55公裡高空附近,流星輝跡地消失頻率顯著下降,而在48公裡附近又出現第二個極大值。對於這一現象目前還沒有能夠令人滿意的解獅。一種說法認為有一批質量和遮度特珠的流星體,它們剛好在8公高度附近燃燒和蒸發完畢。筆者認為是否可以從大氣層的溫度變化和大氣密度變化的快慢方面去尋找原因。假定中低層大氣等溫的話,那麼,空氣密度隨高度的變化是均勻的,這樣,流星輝跡消失高度的極大值必然只有個。但據測量,中低層大氣並不等溫,有的高度上氣溫隨高度的升高面減低,有的高度上,氣溫又隨高度的增加而增加,因此,空氣密度的變化隨高度的增加是不均勻的。當流星經過溫度較低區域(約在95~75公裡高度上)時,隨高度的減低空氣密度增加的速度減慢,這樣,流星與空氣的碰蠻和摩擦增加不快流展的蒸發和氣化減慢。因此,流星的燃燒被迫將移到高度較低、溫度較高、空氣密度增加較快的區域繼續進行,這個區域約在60公裡的高度上開始,這樣,流星在這高度開始又加速燃燒和蒸發,到這個高度以下的十幾公裡處,流星全部燃燒完畢,因此,在48公裡高度附近,流星輝跡的消失頻率又出現一個極大值。
無線電和照相觀測表明,流星輝跡的出沒高度與流星體相對於地心的速度密切相關:流星體相對於地心的速度愈大,流星輝跡的出沒高度越高。這是因為在單位時間裡,快速流星與空氣分子碰撞的次數多,較稀薄的空氣裡就開始燃燒發光對於同樣地心速度的流星,穿透大氣的深度決定於流星體的質量,質量愈大,穿透大氣層愈深。下面談談研究流星高度的意義。
對於流星輝跡出沒高度的觀測和研究,可為中低層大氣的物理性質提供重要的信息。不論是照相觀測還是無線電觀測,都可以利用流星輝跡出沒的高度來計算大氣溫度和大氣密度及其它的變化。圖2給出了由流星高度觀測計算的大氣密度隨高度的變化曲線,
曲線是經過平滑的,實際的觀測值的分布是比較彌散的。是無線電通過一個月的連續觀測,得到1千多個大氣密度,以不同的地方時進行統計得到的大氣密度的周日效應,它與氣溫的周日效應很相似,它們都在下午2時~3時附近達到最大值。開塞爾通過研究指出:偶發流星的高度分布是流星的大小和大氣密度標高的函數。根據開塞爾理論,埃凡斯測定了中層大氣的密度標高隨高度的分布。需要指出的是,大氣密度標高是指大氣密度隨高度的變化率,是表徵大氣特徵的一個重要物理量。
流星體進入大氣層時,以它的巨大動能與空氣分子碰撞而使空氣分子電離,這樣流星體所經過的路徑上就產生了電離餘跡。通過流星電離餘跡在不同高度上漂移研究,可以得到高層大氣在不同層次的風向和風速等有關資料。在大氣密度掌握比較準確的情況下,利用流星輝跡出沒高度的觀測,可以研究流星體的質量分布和其它物理參數。這對解決太陽系的起源和其他天體的演化很有意義。一些學者認為:流星體(特別是流星群是由彗星核內噴出的物質形成的,流星質量的研究將更好地幫助我們了解彗星的特徵和演變。