彗星怎麼拖了個長長的尾巴？
2020-11-02 光明網作者：王錚
中國科學院國家空間科學中心
空間天氣學國家重點實驗室
彗星最大的特徵就是那長長的尾巴，因此，在古代它也稱為「掃把星」。
令人好奇的是，為什麼彗星會拖著一條長長的尾巴？這個長長的尾巴，又是怎樣形成的呢？
要解答這個疑問，就必須先了解彗星的結構。
彗星結構三部曲：彗頭、彗發和彗尾
簡單來說，彗星分為「彗頭」、「彗發」和「彗尾」三部分。彗星頭部的彗核是它的核心，由冰物質構成，因為它誕生的地方很冷。彗星接近太陽時，彗核的物質升華，在頭部彗核周圍形成朦朧的一團，叫做彗發。彗星揮發物質拖成一條稀薄物質流的尾巴，形狀好像掃把，就叫彗尾。
ISON彗星照片（來源：http://i3.sinaimg.cn/IT/2013/1205/U5385P2DT20131205094233.jpg）
彗頭的核心就是彗核，這也是整個彗星的核心和揮發物質的來源。一般我們認為彗核是固體，由石塊、鐵、塵埃及氨、甲烷、冰塊組成。這也是為什麼有時候我們管彗星叫「髒雪球」：「雪」說的是凍成冰的水，「髒」說的是混合了各種雜質。彗核直徑很小，從幾公裡到十幾公裡不等，最小的甚至只有幾百米。彗核的平均密度為每立方釐米1克，它自己就佔了彗星質量的95%以上，也可見接下來要說的其他部分是多麼稀薄和「縹緲」。
彗發是彗核周圍由氣體和塵埃組成球狀的霧，像外膜一樣把彗核包裹起來，或者像是彗核周圍的「大氣」。不過彗發比彗核大多了，半徑可達幾十萬公裡，而平均密度小於地球大氣密度的十億億分之一。彗發是彗核揮發出來的氣體，從裡向外流出來的平均速度是每秒1-3公裡。彗發中氣體的主要成分是中性分子和原子，其中有氫、羥基、氧、硫、碳、一氧化碳、氨基、氰、鈉等。
實際觀測中，科學家們發現有一些彗星在彗發的外面還包圍著一層由氫原子組成的雲，直徑可以達到 100萬-1000萬公裡。這種物質被稱之為「彗雲」或「氫雲」，也可以算作彗頭的組成部分。不過這只是一部分彗星才有的。
彗星的大體結構（來源：
http://5b0988e595225.cdn.sohucs.com/images/20171211/00c06b232b7d4949b453a707f98539c3.jpeg）
我們看飛機在天空飛過，有時候就留下這樣一條白色的痕跡。那麼，彗星有著這麼稀薄的氣體，高速飛行的時候，「尾巴」是不是就是它身後的軌跡呢？其實，彗尾形成的原因並不是這麼簡單。
科學家為探索彗尾，都作出過哪些猜想？
科學家在不斷的觀察中發現，當彗星運行到太陽附近時，電離的彗尾總是背向太陽，而且離太陽越近尾巴越長。也就是說，如果它靠近太陽又飛走，此時它的飛行方向和彗尾的朝向都是遠離太陽的。
1950年左右，霍夫邁斯特（Hoffmeister）和比爾曼（Biermann）提出一種解釋，認為這種現象可以用從太陽發射出的連續外流物質傳遞動量給彗星氣體得到解釋，而由此估算出的太陽粒子流動（太陽風）的速度約為400公裡/秒。這說明：太陽粒子流動（太陽風）是一種日常的現象，而且充斥著整個空間。
不過，這並不是猜測的開始。早在1858年，天文觀測者就發現磁暴每經過27天會重新出現一次。20世紀初，對北極光和地磁活動的觀測、研究發現，極光和磁暴都有27天重現性，這正好是我們站在地球上看太陽轉了一圈的周期。
這麼說來，肯定有什麼東西從太陽表面的某個位置發出後，到達地球。因此，27天後太陽轉了一圈，它就又會來拜訪我們。當然我們還沒法計算它的速度，說不定發出來的東西只是輻射呢？
1859年，天文學家卡靈頓（Carrington）等人先是觀測到一個白光耀斑，大約兩天後地球出現了很強的地磁暴。這是很奇怪的，因為耀斑輻射是電磁波，8分鐘就可以到達地球。但這種類似耀斑輻射的東西卻花了兩天左右的時間才到達地球，從而引起了地球磁場的擾動。這種現象是引發「太陽會往外發出物質」想法的開始。
藝術圖：太陽向外釋放物質（來源：
http://n.sinaimg.cn/sinacn20114/232/w659h373/20190729/3618-iakuryx6953792.png）
20世紀30～40年代，英國著名科學家查普曼（Chapman）和費拉羅（Ferraro）對磁暴和極光做了大量的研究，認為這些地球物理現象都源自射向地球的太陽粒子流。
查普曼提出一種設想：從太陽上發出的帶電微粒流，衝到地球附近時，會在高空形成一個附加的電流環，從而擾亂了地磁聲產生磁暴。按照這個設想，太陽上應當有一個區域在不斷地發射粒子流，因為太陽在自轉，這個區域也應該跟著太陽一起旋轉。這個區域逐漸被叫做M區——M是「神秘」（Mystery）與「磁暴」（Magneticstorm）兩個詞的第一個英文字母。
1932年，Barteles提出正是M區的粒子流導致了一些與耀斑沒有關係的地磁暴。現在我們管M區叫冕洞了，它流出的正是高速太陽風。
冕洞照片（來源：
http://www.people.com.cn/mediafile/pic/GQ/20151015/96/14975459038735175628.jpg）
有關於太陽風的爭論，決定了彗尾的形成
人們離「太陽風」的想像已經如此之近，不過我們並不能肯定太陽風是一種日常的、持續不斷的現象。
在50年代，科學權威查普曼提出了太陽周圍的大氣（也就是日冕）處於靜止模式，這是在類比地球大氣的樣子。太陽日冕溫度很高，其中的粒子都是完全電離的離子（主要是氫離子，也就是質子）和電子。
查普曼假定日冕及其向外延伸的氣體都處於靜止狀態（也就是靜態的粒子充斥著宇宙空間），只有熱傳導傳遞能量，太陽巨大的引力把氣體向裡吸，但是溫度很高的氣體運動引起的壓力把氣體往外推，雙方達到了平衡。可是根據計算的太陽日冕溫度，按照相應的物理規律算下來，太陽的引力可拉不住溫度這麼快的氣體往外跑，故而理論陷入了矛盾。
在1958年，科學家帕克（Parker）提出了日冕超聲速膨脹的理論，很好地解釋了這個問題。他認為由於日冕底部的高溫，日冕中存在著比較大的壓強梯度力，在此作用下，太陽大氣的粒子逃脫了太陽引力的束縛向外流出後，被逐漸加速並最終達到超聲速，形成了太陽風。
不過，一來查普曼是學術界的權威，篤信的人很多，帕克的論文受到打壓，二來也有人提出，方程計算的太陽風一直達不到超聲速，似乎也說得通，這也叫「太陽微風」，不過其實這種理論也遇到了無窮遠處風壓力的問題。
實踐是檢驗真理的唯一標準。人類太空飛行器上天之後，就開始努力尋找太陽風及其所符合的特徵。以水手二號為代表的飛船探測到長期的、持續不斷的超聲速太陽風粒子流，證實了太陽風的存在，也終結了查普曼和帕克關於太陽風的爭論。
示意圖：太陽風從太陽到地球（來源：
http://n.sinaimg.cn/sinacn20114/270/w1080h790/20190729/c331-iakuryx6954126.jpg）
彗尾究竟是怎樣形成的？
讓我們回到彗尾的問題，在證實了太陽風的存在和特徵之後，這個問題也就迎刃而解——彗尾是太陽風「吹」出來的彗星揮發物質，在太陽光的照射下，我們能看到明亮的結構。
彗星在遠離太陽時體積其實很小，但接近太陽時，由於溫度升高、揮發加劇，彗發變得越來越大，彗尾也一起變長，整個彗星體積變得十分巨大。彗尾最長可以有幾億多公裡，如 1842Ⅰ彗星的彗尾長達 3.2億公裡，可以從太陽延伸到火星軌道。
彗尾如此巨大，地球都能從彗尾中穿過去。上百年前人們預測到這樣的現象時相當驚恐，有謠言說，人類會被彗尾的毒氣毒死。不過現在我們知道了，人類對這種現象一點感覺也沒有。
按照形狀，彗尾主要分為兩大類：一類為「離子彗尾」，由離子氣體組成，如一氧化碳、氫、二氧化碳、碳、氫基和其他電離的分子。這類彗尾比較直，細而長，因此又稱為「氣體彗尾」或Ⅰ型彗尾。
另一類為「塵埃彗尾」，是由微塵組成，呈黃色，是在太陽光子的輻射壓力下推斥微塵而成。這種彗尾是彎曲的，其中較寬的又稱為Ⅱ型彗尾，而彎曲很厲害、又短又寬的又稱為 Ⅲ 型彗尾。
此外還有一種叫「反常彗尾」，彗尾是朝向太陽系方向延伸的扇狀或長釘狀。一般一顆彗星有兩條以上的不同類型彗尾。
背向太陽的彗尾（來源：
http://5b0988e595225.cdn.sohucs.com/images/20171211/01a87b1459ce424fa7c94c6d605c807a.jpeg）
來源：科學大院
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來源： 國家空間科學中心
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