流星是怎麼亮起來的

一顆流星大多只有沙粒大,在一百公里的高處亮起來,兩秒後就沒了。那個高度的空氣以實驗室的標準來說就是真空。這一課要回答的是,在那種地方,一顆沙粒憑什麼亮得整條街都看得見。

一顆沙粒在近乎真空的地方發光

這一課從一百公里高處那點稀薄的空氣講起,說明流星到底被什麼加熱、發光的又是什麼,以及什麼樣的石頭才撐得到地面。

三個名字,同一顆石頭

在太空裡漂著的時候叫流星體,衝進大氣以後在天上劃出的那道光叫流星,撐過整趟旅程掉到地面的殘骸叫隕石。

中間那個容易誤會。流星是現象而不是物體,你看到的那道光並不是石頭本身在發亮。石頭這時候多半只剩沙粒大,一百公里外肉眼看不見。那道光比石頭大得多。

課本說的摩擦生熱,把熱源指錯了地方

流星大多在八十到一百二十公里的高度亮起來。那裡的空氣密度是海平面的百萬分之一,以實驗室的標準來說就是真空。一顆沙粒在真空裡亮得整條街都看得見。

摩擦說的問題不在空氣夠不夠,而在它把熱想成表面磨出來的。你房間裡的空氣分子也在動,平均每秒五百公尺,比客機快。它們對你毫無影響,因為每顆都太輕,而且你跟它們沒有相對速度。

流星體有相對速度,而且很大。它以每秒幾十公里穿過去,等於每顆空氣分子都以那個速度砸上來。能量隨速度平方走,速度差一百倍,一顆分子帶的能量就差一萬倍。這種力道打在表面,原子不會只是被推開,是整顆離開。

熱是這樣來的。流星體把動能一份一份卸給它撞上的分子,那些分子再把能量帶回表面。空氣稀薄只讓這件事發生得比較稀疏,每一發的力道沒變。所以空氣濃度決定的是流星在多高的地方開始亮,不是它亮不亮。

發光的不是石頭

表面被撞到兩千多度時,材料直接從固體變成氣體,這個過程叫燒蝕。它跟燃燒無關,那個高度幾乎沒有氧氣,石頭是被汽化的。

被剝下來的是流星體裡的金屬原子,鈉、鎂、鐵、鈣。它們高速撞進周圍的空氣,電子被打上去再掉回來,放出特定波長的光。我們看到的就是這團金屬蒸氣和被激發的空氣。

流星因此有顏色,而且顏色對應元素。鈉偏黃,鎂偏藍綠,鐵偏黃,鈣偏紫,大氣裡的氧放綠光。快的流星常留下一條餘痕掛在天上,那是電漿重新結合的餘光。

火流星,以及它們為什麼在空中炸開

亮度超過金星的流星叫火流星。大顆的常在空中解體。它往下掉的過程中前後壓力差不斷變大,而多數小行星碎塊本來就帶著裂隙,不是實心的。裂隙被撐開,母體碎成一堆小塊,總表面積暴增,剩餘動能在極短時間內釋放,看起來就像爆炸。

2013 年車里雅賓斯克那顆約二十公尺,在三十公里高空解體。它沒有砸出任何坑,傷者是被震波震碎的玻璃所傷。空爆和撞擊的差別就在這裡,能量在空中就釋放完了。

看到火流星值得記下來:時間、出現與消失的方位和仰角、亮度拿什麼比、有沒有餘痕、有沒有聽到聲音。這幾項湊起來才有機會反推軌道與落點。

為什麼下半夜比較多

地球以每秒約三十公里公轉,自轉會把你帶到不同的位置。清晨那一側正對著地球前進的方向,等於站在擋風玻璃上,傍晚那一側則是後車窗。

站在擋風玻璃上,迎面撞來的看得到,速度較慢、原本追不上你的也會被地球趕上。所以後半夜的流星比前半夜多,平均速度也更快。

流星雨的名字取自輻射點所在的星座,輻射點在英仙座就叫英仙座流星雨。輻射點本身是透視造成的,那些軌跡本來平行,投影到天上才交在一點,跟鐵軌在遠方會合是同一回事。

1833 年 11 月那一夜

十一月十二日深夜到十三日清晨,北美東半部整夜在落流星,事後估計每小時上萬顆。有人以為世界要結束了,報紙連著幾週都在登目擊者的來信。

耶魯的 Denison Olmsted 請各地的人記下流星是從哪個方向來的。這在當時沒什麼人想到。紀錄收回來湊在一起,所有軌跡往回延長都交在獅子座的同一個位置,而且那個位置整夜跟著星空移動,沒有跟著地面。

如果流星是大氣裡的現象,那個交點應該固定在地面的某個方位。它沒有。Olmsted 由此推論,落下來的東西來自地球之外,地球正穿過太空裡的某樣東西。

流星從此成了天文學的題目。至於一顆從太空掉進來的石頭是被什麼點亮的,那要再過很久才有人算得出來。

實驗室:它到底被什麼加熱

三根滑桿分別是高度、速度、直徑。右邊那張圖會隨著設定換一張畫面,因為在不同的尺寸與高度下,流星體前方發生的事並不相同。

這個實驗室算的是量級,不是預報。真正的流星計算要把質量損失和減速一起積分,還要知道材料的汽化熱,這裡只保留足以判斷哪一種圖像成立的部分。八十六公里以上的大氣密度用的是標準大氣模型的高空延伸,實際值會隨太陽活動與日夜變化,上下差一個量級都算正常。

先拿這幾組來試

兩毫米、每秒五十九公里、一百公里高。右邊那張圖裡分子是一顆一顆飛過來的,前面沒有震波。絕大多數流星都處在這個狀態。

同樣大小,速度只有一半多一點,所以要掉得更低才亮得起來。撞擊威力隨速度平方成長,慢下來就得靠空氣變濃補回去。

四十公分。到了這個尺寸,流星體比分子間距大得多,前方開始擠出一層被壓縮的空氣。「壓縮加熱」這個說法在這裡才真正成立。

二十公尺,完全進入連續流,弓形震波很清楚。2013 年那顆就是在這個狀態下解體,震波傳到地面把整城的玻璃震碎。

流星、流星體、隕石:一顆石頭的三段人生

在太空裡漂著的時候叫流星體,衝進大氣以後在天上劃出的那道光叫流星,撐過整趟旅程掉到地面的殘骸叫隕石。同一顆東西的三個階段。

中間那個容易誤會。流星是現象而不是物體,你看到的那道光並不是石頭本身在發亮。石頭這時候多半只剩沙粒大,一百公里外肉眼看不見。那道光比石頭大得多,形狀也跟石頭無關。

課本說的摩擦生熱,其實不是這樣

流星大多在八十到一百二十公里的高度亮起來。那裡的空氣密度是海平面的百萬分之一,以實驗室的標準來說就是真空。一顆沙粒在真空裡亮得整條街都看得見。

摩擦說的問題不在空氣夠不夠,而在它把熱想成表面磨出來的。你房間裡的空氣分子也在動,平均每秒五百公尺,比客機快。它們對你毫無影響,因為每顆都太輕,而且你跟它們沒有相對速度。

流星體有相對速度,而且很大。它以每秒幾十公里穿過去,等於每顆空氣分子都以那個速度砸上來。能量隨速度平方走,速度差一百倍,一顆分子帶的能量就差一萬倍。這種力道打在表面,原子不會只是被推開,是整顆離開。

熱是這樣來的。流星體把動能一份一份卸給它撞上的分子,那些分子再把能量帶回表面。空氣稀薄只讓這件事發生得比較稀疏,每一發的力道沒變。所以空氣濃度決定的是流星在多高的地方開始亮,不是它亮不亮。

那到底是什麼在發光

表面被撞到兩千多度時,材料直接從固體變成氣體,這個過程叫燒蝕。它跟燃燒無關:那個高度幾乎沒有氧氣,也沒有氧化反應在主導。石頭是被汽化的。

被剝下來的是流星體裡的金屬原子,鈉、鎂、鐵、鈣。它們以每秒幾十公里撞進周圍的空氣,電子被打到高能階,掉回來的時候放出特定波長的光。

我們看到的就是這團金屬蒸氣和被激發的空氣。流星因此有顏色,而且顏色對應元素。鈉偏黃,鎂偏藍綠,鐵偏黃,鈣偏紫,大氣裡的氧放綠光。快的流星常留下一條餘痕,那是電漿重新結合與後續化學反應的餘光,可以掛在天上幾秒,偶爾幾分鐘。

如果拿高中熱力學硬算流星前方被壓縮的空氣溫度,會得到二十萬度這種數字。真實的空氣到幾千度就開始被拆散、被打掉電子,那些過程把能量吃走了,所以震波層實際只有一萬多度。太空船再入的計算不能用課本那套公式,原因也在這裡。

大部分流星體撐不到地面

每天進入大氣的物質絕大多數是塵埃級的顆粒,在一百公里高處就汽化殆盡。你在夏夜看到的流星,來源多半比一顆綠豆還小。

要撐下來得夠大、夠結實,而且最好慢一點。鐵隕石最耐燒蝕,石隕石容易在高空碎裂。速度太快反而不利,燒蝕率隨速度上升得比質量能承受的還快。

撐下來的那些最後會經歷一段叫暗飛的過程。它在二十公里上下已經被空氣拖到失去宇宙速度,光滅了,剩下的路是單純的自由落體。所以隕石落地時通常只是溫的,也砸不出想像中的大坑,除非它一開始就有幾十公尺那麼大。

火流星

亮度超過金星(約 −4 等)的流星叫火流星。末端出現爆裂閃光的,習慣上叫爆裂火流星,亮到 −17 等以上的極端案例有人稱為超級火流星。這些界線都是觀測上的約定,沒有對應的物理分界。

大顆的常在空中爆掉。它前後的壓力差在往下掉的過程中不斷變大,而多數小行星碎塊本來就帶著裂隙,不是一整塊實心的。壓力差撐開裂隙,母體碎成一堆小塊,總表面積暴增,燒蝕速率跟著暴增,幾乎所有剩餘動能在極短時間內釋放,看起來就像爆炸。

看到火流星值得記下來:時間到分鐘、出現與消失的方位和仰角、亮度拿什麼比、有沒有留下餘痕、有沒有聽到聲音以及聽到的時間。這幾項湊起來,專業網路才有機會反推軌道與落點。

歷史上有名的火流星

有目擊、有實物,或者改變了人類對這件事理解的幾次。

實驗室:為什麼下半夜比較多

地球以每秒約三十公里公轉,自轉則把你帶到不同的位置。有時候你面對地球前進的方向,有時候背對。拉動時間看看自己在哪一側。

清晨這一側正對著地球前進的方向,等於站在擋風玻璃上。迎面撞來的看得到,原本速度較慢、追不上你的也會被地球趕上,所以後半夜的流星明顯變多。迎面對撞的極限是每秒約 73 公里,獅子座流星雨就是這一類;從後方被追上的慢得多,大約每秒 17 公里。

傍晚這一側背對著地球前進的方向,等於站在後車窗。只有快到能追上地球的流星體才進得來,數量自然少。要看得多得等午夜以後。

輻射點在天頂時看得最多,貼近地平線時大半軌跡都藏在地平線下。目前這個高度角大約只剩 82%。流星雨表上的 ZHR 是輻射點在天頂、天空黑到六等星可見的理想值,實際數到的永遠比它少。

偶發流星與流星雨

上面講的都是隨機掉進來的偶發流星,任何一個晚上都有,一小時幾顆。流星雨不一樣,某些日期會特別多,而且年年落在同一批日期。

原因是彗星。彗星每次靠近太陽,表面的冰昇華,把塵埃一起帶出來。這些塵埃大致沿著母彗星的軌道繼續走,久而久之散成一整條環繞太陽的塵埃流。地球的軌道如果穿過這條流,每年通過那一點的時候就會撞上一批。日期固定,是因為地球每年回到軌道同一位置的時間固定。

並非所有母體都是彗星。雙子座流星雨的母體 3200 Phaethon 是一顆會噴發的小行星,象限儀座的 2003 EH1 一般認為是熄火的彗星核。名字則取自輻射點所在的星座,輻射點在英仙座就叫英仙座流星雨。同一個星座有好幾群時改用附近的亮星區分,像是 η 寶瓶座和 δ 寶瓶座。象限儀座流星雨是例外,那個星座在 1922 年就被廢除了,輻射點現在算在牧夫座裡,名字卻留了下來。

想知道今年什麼時候看

這一課講的是原理。實際哪一天極大、當晚月亮會不會擋,另一頁有逐年的表。

歷史上有名的火流星

事件日期為什麼值得記
獅子座流星暴1833-11-13北美整夜的流星暴。輻射點固定在星空而非地面,成為流星來自地球之外的第一個有力證據。
錫霍特—阿林隕鐵雨1947-02-12俄羅斯遠東的鐵隕石雨,有目擊、有大量回收,是研究隕石雨散布範圍的經典樣本。
吉林隕石雨1976-03-08中國吉林,回收到已知最大的單塊石隕石,落區橫跨數百平方公里。
皮克斯基爾火流星1992-10-09美東多場球賽的家用攝影機同時拍到,是少數能從影片精確反推軌道的案例。碎片砸中一輛停放的轎車。
2008 TC32008-10-07人類第一次在撞擊前就發現、算出落點並成功回收樣本的天體,殘骸在蘇丹沙漠尋獲。
車里雅賓斯克2013-02-15約二十公尺的小行星在三十公里高空解體,震波震碎大量玻璃,造成上千人受傷。行車記錄器普及後被記錄得最完整的一次。
常見問題

流星真的是跟空氣摩擦燒起來的嗎?

流星體有相對速度,而且很大。它以每秒幾十公里穿過去,等於每顆空氣分子都以那個速度砸上來。能量隨速度平方走,速度差一百倍,一顆分子帶的能量就差一萬倍。這種力道打在表面,原子不會只是被推開,是整顆離開。 熱是這樣來的。流星體把動能一份一份卸給它撞上的分子,那些分子再把能量帶回表面。空氣稀薄只讓這件事發生得比較稀疏,每一發的力道沒變。所以空氣濃度決定的是流星在多高的地方開始亮,不是它亮不亮。

流星在發光的是石頭本身嗎?

表面被撞到兩千多度時,材料直接從固體變成氣體,這個過程叫燒蝕。它跟燃燒無關:那個高度幾乎沒有氧氣,也沒有氧化反應在主導。石頭是被汽化的。 被剝下來的是流星體裡的金屬原子,鈉、鎂、鐵、鈣。它們以每秒幾十公里撞進周圍的空氣,電子被打到高能階,掉回來的時候放出特定波長的光。

流星為什麼有不同顏色?

我們看到的就是這團金屬蒸氣和被激發的空氣。流星因此有顏色,而且顏色對應元素。鈉偏黃,鎂偏藍綠,鐵偏黃,鈣偏紫,大氣裡的氧放綠光。快的流星常留下一條餘痕,那是電漿重新結合與後續化學反應的餘光,可以掛在天上幾秒,偶爾幾分鐘。

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資料來源

實驗室的計算是教學用的量級估算,數值不應該拿去做任何預報。歷史事件的當量、質量與傷亡數字各家估計差異不小,頁面採用的是官方或期刊來源,若你要引用請回到原始出處核對。