流星是怎么亮起来的

一颗流星大多只有沙粒大,在一百公里的高处亮起来,两秒后就没了。那个高度的空气以实验室的标准来说就是真空。这一课要回答的是,在那种地方,一颗沙粒凭什么亮得整条街都看得见。

一颗沙粒在近乎真空的地方发光

这一课从一百公里高处那点稀薄的空气讲起,说明流星到底被什么加热、发光的又是什么,以及什么样的石头才撑得到地面。

三个名字,同一颗石头

在太空里漂着的时候叫流星体,冲进大气以后在天上划出的那道光叫流星,撑过整趟旅程掉到地面的残骸叫陨石。

中间那个容易误会。流星是现象而不是物体,你看到的那道光并不是石头本身在发亮。石头这时候多半只剩沙粒大,一百公里外肉眼看不见。那道光比石头大得多。

课本说的摩擦生热,把热源指错了地方

流星大多在八十到一百二十公里的高度亮起来。那里的空气密度是海平面的百万分之一,以实验室的标准来说就是真空。一颗沙粒在真空里亮得整条街都看得见。

摩擦说的问题不在空气够不够,而在它把热想成表面磨出来的。你房间里的空气分子也在动,平均每秒五百米,比客机快。它们对你毫无影响,因为每颗都太轻,而且你跟它们没有相对速度。

流星体有相对速度,而且很大。它以每秒几十公里穿过去,等于每颗空气分子都以那个速度砸上来。能量随速度平方走,速度差一百倍,一颗分子带的能量就差一万倍。这种力道打在表面,原子不会只是被推开,是整颗离开。

热是这样来的。流星体把动能一份一份卸给它撞上的分子,那些分子再把能量带回表面。空气稀薄只让这件事发生得比较稀疏,每一发的力道没变。所以空气浓度决定的是流星在多高的地方开始亮,不是它亮不亮。

发光的不是石头

表面被撞到两千多度时,材料直接从固体变成气体,这个过程叫烧蚀。它跟燃烧无关,那个高度几乎没有氧气,石头是被汽化的。

被剥下来的是流星体里的金属原子,钠、镁、铁、钙。它们高速撞进周围的空气,电子被打上去再掉回来,放出特定波长的光。我们看到的就是这团金属蒸气和被激发的空气。

流星因此有颜色,而且颜色对应元素。钠偏黄,镁偏蓝绿,铁偏黄,钙偏紫,大气里的氧放绿光。快的流星常留下一条余痕挂在天上,那是等离子体重新结合的余光。

火流星,以及它们为什么在空中炸开

亮度超过金星的流星叫火流星。大颗的常在空中解体。它往下掉的过程中前后压力差不断变大,而多数小行星碎块本来就带着裂隙,不是实心的。裂隙被撑开,母体碎成一堆小块,总表面积暴增,剩余动能在极短时间内释放,看起来就像爆炸。

2013 年车里雅宾斯克那颗约二十米,在三十公里高空解体。它没有砸出任何坑,伤者是被激波震碎的玻璃所伤。空爆和撞击的差别就在这里,能量在空中就释放完了。

看到火流星值得记下来:时间、出现与消失的方位和仰角、亮度拿什么比、有没有余痕、有没有听到声音。这几项凑起来才有机会反推轨道与落点。

为什么下半夜比较多

地球以每秒约三十公里公转,自转会把你带到不同的位置。清晨那一侧正对着地球前进的方向,等于站在挡风玻璃上,傍晚那一侧则是后车窗。

站在挡风玻璃上,迎面撞来的看得到,速度较慢、原本追不上你的也会被地球赶上。所以后半夜的流星比前半夜多,平均速度也更快。

流星雨的名字取自辐射点所在的星座,辐射点在英仙座就叫英仙座流星雨。辐射点本身是透视造成的,那些轨迹本来平行,投影到天上才交在一点,跟铁轨在远方会合是同一回事。

1833 年 11 月那一夜

十一月十二日深夜到十三日清晨,北美东半部整夜在落流星,事后估计每小时上万颗。有人以为世界要结束了,报纸连着几周都在登目击者的来信。

耶鲁的 Denison Olmsted 请各地的人记下流星是从哪个方向来的。这在当时没什么人想到。记录收回来凑在一起,所有轨迹往回延长都交在狮子座的同一个位置,而且那个位置整夜跟着星空移动,没有跟着地面。

如果流星是大气里的现象,那个交点应该固定在地面的某个方位。它没有。Olmsted 由此推论,落下来的东西来自地球之外,地球正穿过太空里的某样东西。

流星从此成了天文学的题目。至于一颗从太空掉进来的石头是被什么点亮的,那要再过很久才有人算得出来。

实验室:它到底被什么加热

三根滑杆分别是高度、速度、直径。右边那张图会随着设定换一张画面,因为在不同的尺寸与高度下,流星体前方发生的事并不相同。

这个实验室算的是量级,不是预报。真正的流星计算要把质量损失和减速一起积分,还要知道材料的汽化热,这里只保留足以判断哪一种图像成立的部分。八十六公里以上的大气密度用的是标准大气模型的高空延伸,实际值会随太阳活动与昼夜变化,上下差一个量级都算正常。

先拿这几组来试

两毫米、每秒五十九公里、一百公里高。右边那张图里分子是一颗一颗飞过来的,前面没有激波。绝大多数流星都处在这个状态。

同样大小,速度只有一半多一点,所以要掉得更低才亮得起来。撞击威力随速度平方成长,慢下来就得靠空气变浓补回去。

四十厘米。到了这个尺寸,流星体比分子间距大得多,前方开始挤出一层被压缩的空气。「压缩加热」这个说法在这里才真正成立。

二十米,完全进入连续流,弓形激波很清楚。2013 年那颗就是在这个状态下解体,激波传到地面把整城的玻璃震碎。

流星、流星体、陨石:一颗石头的三段人生

在太空里漂着的时候叫流星体,冲进大气以后在天上划出的那道光叫流星,撑过整趟旅程掉到地面的残骸叫陨石。同一颗东西的三个阶段。

中间那个容易误会。流星是现象而不是物体,你看到的那道光并不是石头本身在发亮。石头这时候多半只剩沙粒大,一百公里外肉眼看不见。那道光比石头大得多,形状也跟石头无关。

课本说的摩擦生热,其实不是这样

流星大多在八十到一百二十公里的高度亮起来。那里的空气密度是海平面的百万分之一,以实验室的标准来说就是真空。一颗沙粒在真空里亮得整条街都看得见。

摩擦说的问题不在空气够不够,而在它把热想成表面磨出来的。你房间里的空气分子也在动,平均每秒五百米,比客机快。它们对你毫无影响,因为每颗都太轻,而且你跟它们没有相对速度。

流星体有相对速度,而且很大。它以每秒几十公里穿过去,等于每颗空气分子都以那个速度砸上来。能量随速度平方走,速度差一百倍,一颗分子带的能量就差一万倍。这种力道打在表面,原子不会只是被推开,是整颗离开。

热是这样来的。流星体把动能一份一份卸给它撞上的分子,那些分子再把能量带回表面。空气稀薄只让这件事发生得比较稀疏,每一发的力道没变。所以空气浓度决定的是流星在多高的地方开始亮,不是它亮不亮。

那到底是什么在发光

表面被撞到两千多度时,材料直接从固体变成气体,这个过程叫烧蚀。它跟燃烧无关:那个高度几乎没有氧气,也没有氧化反应在主导。石头是被汽化的。

被剥下来的是流星体里的金属原子,钠、镁、铁、钙。它们以每秒几十公里撞进周围的空气,电子被打到高能阶,掉回来的时候放出特定波长的光。

我们看到的就是这团金属蒸气和被激发的空气。流星因此有颜色,而且颜色对应元素。钠偏黄,镁偏蓝绿,铁偏黄,钙偏紫,大气里的氧放绿光。快的流星常留下一条余痕,那是等离子体重新结合与后续化学反应的余光,可以挂在天上几秒,偶尔几分钟。

如果拿高中热力学硬算流星前方被压缩的空气温度,会得到二十万度这种数字。真实的空气到几千度就开始被拆散、被打掉电子,那些过程把能量吃走了,所以激波层实际只有一万多度。航天器再入的计算不能用课本那套公式,原因也在这里。

大部分流星体撑不到地面

每天进入大气的物质绝大多数是尘埃级的颗粒,在一百公里高处就汽化殆尽。你在夏夜看到的流星,来源多半比一颗绿豆还小。

要撑下来得够大、够结实,而且最好慢一点。铁陨石最耐烧蚀,石陨石容易在高空碎裂。速度太快反而不利,烧蚀率随速度上升得比质量能承受的还快。

撑下来的那些最后会经历一段叫暗飞的过程。它在二十公里上下已经被空气拖到失去宇宙速度,光灭了,剩下的路是单纯的自由落体。所以陨石落地时通常只是温的,也砸不出想象中的大坑,除非它一开始就有几十米那么大。

火流星

亮度超过金星(约 −4 等)的流星叫火流星。末端出现爆裂闪光的,习惯上叫爆裂火流星,亮到 −17 等以上的极端案例有人称为超级火流星。这些界线都是观测上的约定,没有对应的物理分界。

大颗的常在空中爆掉。它前后的压力差在往下掉的过程中不断变大,而多数小行星碎块本来就带着裂隙,不是一整块实心的。压力差撑开裂隙,母体碎成一堆小块,总表面积暴增,烧蚀速率跟着暴增,几乎所有剩余动能在极短时间内释放,看起来就像爆炸。

看到火流星值得记下来:时间到分钟、出现与消失的方位和仰角、亮度拿什么比、有没有留下余痕、有没有听到声音以及听到的时间。这几项凑起来,专业网络才有机会反推轨道与落点。

历史上有名的火流星

有目击、有实物,或者改变了人类对这件事理解的几次。

实验室:为什么下半夜比较多

地球以每秒约三十公里公转,自转则把你带到不同的位置。有时候你面对地球前进的方向,有时候背对。拉动时间看看自己在哪一侧。

清晨这一侧正对着地球前进的方向,等于站在挡风玻璃上。迎面撞来的看得到,原本速度较慢、追不上你的也会被地球赶上,所以后半夜的流星明显变多。迎面对撞的极限是每秒约 73 公里,狮子座流星雨就是这一类;从后方被追上的慢得多,大约每秒 17 公里。

傍晚这一侧背对着地球前进的方向,等于站在后车窗。只有快到能追上地球的流星体才进得来,数量自然少。要看得多得等午夜以后。

辐射点在天顶时看得最多,贴近地平线时大半轨迹都藏在地平线下。目前这个高度角大约只剩 82%。流星雨表上的 ZHR 是辐射点在天顶、天空黑到六等星可见的理想值,实际数到的永远比它少。

偶发流星与流星雨

上面讲的都是随机掉进来的偶发流星,任何一个晚上都有,一小时几颗。流星雨不一样,某些日期会特别多,而且年年落在同一批日期。

原因是彗星。彗星每次靠近太阳,表面的冰升华,把尘埃一起带出来。这些尘埃大致沿着母彗星的轨道继续走,久而久之散成一整条环绕太阳的尘埃流。地球的轨道如果穿过这条流,每年通过那一点的时候就会撞上一批。日期固定,是因为地球每年回到轨道同一位置的时间固定。

并非所有母体都是彗星。双子座流星雨的母体 3200 Phaethon 是一颗会喷发的小行星,象限仪座的 2003 EH1 一般认为是熄火的彗星核。名字则取自辐射点所在的星座,辐射点在英仙座就叫英仙座流星雨。同一个星座有好几群时改用附近的亮星区分,像是 η 宝瓶座和 δ 宝瓶座。象限仪座流星雨是例外,那个星座在 1922 年就被废除了,辐射点现在算在牧夫座里,名字却留了下来。

想知道今年什么时候看

这一课讲的是原理。实际哪一天极大、当晚月亮会不会挡,另一页有逐年的表。

历史上有名的火流星

事件日期为什么值得记
狮子座流星暴1833-11-13北美整夜的流星暴。辐射点固定在星空而非地面,成为流星来自地球之外的第一个有力证据。
锡霍特—阿林陨铁雨1947-02-12俄罗斯远东的铁陨石雨,有目击、有大量回收,是研究陨石雨散布范围的经典样本。
吉林陨石雨1976-03-08中国吉林,回收到已知最大的单块石陨石,落区横跨数百平方公里。
皮克斯基尔火流星1992-10-09美东多场球赛的家用摄影机同时拍到,是少数能从影片精确反推轨道的案例。碎片砸中一辆停放的轿车。
2008 TC32008-10-07人类第一次在撞击前就发现、算出落点并成功回收样本的天体,残骸在苏丹沙漠寻获。
车里雅宾斯克2013-02-15约二十米的小行星在三十公里高空解体,激波震碎大量玻璃,造成上千人受伤。行车记录仪普及后被记录得最完整的一次。
常见问题

流星真的是跟空气摩擦烧起来的吗?

流星体有相对速度,而且很大。它以每秒几十公里穿过去,等于每颗空气分子都以那个速度砸上来。能量随速度平方走,速度差一百倍,一颗分子带的能量就差一万倍。这种力道打在表面,原子不会只是被推开,是整颗离开。 热是这样来的。流星体把动能一份一份卸给它撞上的分子,那些分子再把能量带回表面。空气稀薄只让这件事发生得比较稀疏,每一发的力道没变。所以空气浓度决定的是流星在多高的地方开始亮,不是它亮不亮。

流星在发光的是石头本身吗?

表面被撞到两千多度时,材料直接从固体变成气体,这个过程叫烧蚀。它跟燃烧无关:那个高度几乎没有氧气,也没有氧化反应在主导。石头是被汽化的。 被剥下来的是流星体里的金属原子,钠、镁、铁、钙。它们以每秒几十公里撞进周围的空气,电子被打到高能阶,掉回来的时候放出特定波长的光。

流星为什么有不同颜色?

我们看到的就是这团金属蒸气和被激发的空气。流星因此有颜色,而且颜色对应元素。钠偏黄,镁偏蓝绿,铁偏黄,钙偏紫,大气里的氧放绿光。快的流星常留下一条余痕,那是等离子体重新结合与后续化学反应的余光,可以挂在天上几秒,偶尔几分钟。

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资料来源

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