彗核的结构是怎样的?
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发布时间：2022-10-12 13:08
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时间：2023-10-22 03:36
彗星物质的绝大部分集中在彗核，彗核才是彗星的本体。虽然彗发和彗尾的体积都很庞大，但都是从彗核中蒸发抛出的，只占彗星物质的极小部分。这和地球很类似。地球大气在向太阳的一侧，伸延到约10个地球半径远处，而背向太阳的一侧，可伸延到几百到1千个地球半径处，远远超过月球轨道的半径。而地球大气只占地球质量不到百万分之一，显然固体的地球是地球的本体，或者说是主要部分。
对于彗发和彗尾的观测，已得到了很多新的发现。而对于彗核，到今天为止，仍然缺乏直接观测资料，只能从彗星观测的其他资料间接地推断彗核的结构和性质，所以对彗核的性质了解甚微，仍是一个谜。
彗核有多大，质量和密度又如何？至今已用了好几种方法对许多彗星作了观测和计算，尚难于确定。这是为什么呢？因为彗核观测很困难。当彗星离地球较近时，好像容易观测，其实不然，因这时它离太阳也近，彗发和彗尾都很发育，彗核被包围在中间，从外面很难看清它；当彗星远离太阳时，彗发和彗尾近于消失，彗核裸露出来，但这时它离地球也远，看上去又小又暗，甚至大望远镜也难于看到它。
然而，还是有些办法来粗略地推算彗核的近似大小的。庞斯?温尼克彗星(1927Ⅶ)是1颗短周期彗星，周期6年，近日距约为1天文单位，但轨道变化较大。它在1927年7月Zy日曾很接近地球，距离为0.039天文单位，这当然是极好的观测时机，如果能测出彗核的角直径，再根据它与地球之间的距离就能定出彗核的大小。但在望远镜中难于分辨彗核与彗发的界限，只能粗略地测出它的角直径是0″3，由此估计彗核的直径不超过5千米。另一种办法是利用彗核的亮度来估算。但这要合理地假定彗核的反照率，即反射太阳光的比例。测出彗核的亮度，再测出彗星与地球的距离，就可估算出彗核的大小。用这种办法要有较大的望远镜才能作到，如曾测过贝内特彗星(1970Ⅱ)和多胡佐藤-小坂彗星(1969Ⅸ)，得出直径分别为3.67±0.46千米和2.20±0.27千米。也测了一些其他彗星，所得的结果是，近抛物线轨道的彗星，彗核直径多在2～20千米，而椭圆形的周期彗星，直径多在2千米以下。也有个别大些的，如1929年的大彗星，当它离太阳和地球有4个天文单位时肉眼就能看到了，有人估计，这个彗核直径有120千米。有人认为掠日彗星族是由1颗较大的母彗星*而成，母彗星的彗核直径大约有100千米。还可以根据彗核的质量来估算彗核的大小，这当然要合理地假定彗核的密度。而彗核的质量又怎么测呢？一般地可以根据彗星与行星或行星的卫星之间的引力摄动来定出彗星的质量。如勒克塞尔彗星在1767年5月和1779年夏季接近过木星，相距只有60万千米，它又在1770年7月1日接近地球，相距244万千米，而它对木星及其卫星以及地球和月亮没有引起任何摄动，相反地，木星和地球对它的引力摄动使它的轨道发生了很大改变。根据万有引力定律，设彗星的质量为m1，行星的质量为m2，它们之间的距离为r，则它们之间的引力F应为F＝Gm1m2r2，行星得到的加速度为a1＝Gr2m2，彗星得到的加速度为a2＝Gr2m1，而行星轨道无变化，彗星轨道变化较大，说明a1远远小于a2，这也就证明了彗星的质量m2远远小于行星的质量m1又如布鲁克斯彗星在1886年曾通过木星的卫星系内，也没有观测到它对卫星轨道的影响，据彗星轨道改变的最小可测量值，推算出它的质量不会超过地球质量的百万分之一。彗星质量的上限应在1021～1122克的范围内。还可根据彗星的*测彗星的质量。例如，1957年3月16日出现的沃坦南彗星（1957Ⅵ)，对它一直观测了4年多。在1957年5月发现它的彗核*为两个，两个之间的距离越来越大。从大量照片分析，彗核的*应始于1957年元旦前后，开始时的分离速度应为每秒1.5米左右。假定分离速度就是彗星的脱离速度，而脱离速度与质量有关，可以求得1957Ⅵ的质量为1000亿吨，用这办法也计算过比拉彗星的质量，这颗彗星是1846年*为两个的，算出它的质量为地球质量的42／1亿。1966年，斯特范尼克研究了13颗彗星的*，得出平均分离速度为每秒20米，由此估计彗核质量在30万亿吨左右。一般认为这样算出的质量要比实际大得多。卡塞尼对分离理论作了改进，所算出的质量就小得多了，如1976年出现的威斯特彗星(1976Ⅵ)，在1976年5月过近日点前后*为4块。研究者把它们标为A、B、C、D4块，A为主块。过近日点后，从A块也可能是从D块又分出B块，又过了一星期或是10天，又从A分出C块。这些碎块的相对运动速度在每秒0.25～1.75米之间，由此得出的质量要小得多。1977年有人提出彗星*的新看法，认为*过程是缓慢的，不是激裂的，且*的因素较多，而*速度是否就是脱离速度呢，并不能确定，所以从分离速度求出的质量是十分粗略的。
用以上的办法和一些其他办法得出的彗星质量，在几千万吨到几千万亿吨(1013～1021克)，多数在1亿吨到1000亿吨(1014～1017克)之间。哈雷彗星的质量，以前的计算是3×1019克，即30万亿吨，最近有人计算为4.5×1016克，即450亿吨，这是因为计算方法的不同。
测出彗核的质量和体积，密度就可计算了。但是，彗核的体积、质量和密度这3个量是互相关联的，如能测准任两个量，第3个就能决定，但现在还做不到。现在对彗核密度的估算，一般在每立方厘米1克左右，相当于水的密度。
彗核的结构如何呢？是由哪些成分组成的呢？
在本世纪初，曾提出过关于彗核的“沙砾模型”，认为彗核是由一团大小不同且彼此之间分得很开的固体质点组成的，它们之中有沙粒、石块、冰块和一些金属块体，各块的外面都包着一层气体。这个模型对一些问题不能作出恰当的解释，比如对“掠日彗星”，假设它的彗核是由平均直径为30厘米的块粒组成的松散的一团，当彗核通过近日点附近时，从彗核中蒸发出的气体和尘粒，在强大的太阳辐射作用下，会被“吹”得无影无踪而不能再凝聚一起了。虽然对于一些较大的块粒再凝聚是可能的，但只能凝聚回来2％左右。彗星再次回归时，彗核中将不能再提供蒸发物了，这与观测事实不符。后来对“沙砾模型”理论进行一次修补，增加了几个附加条件：沙粒和蒸发物能在行星际空间得到补充；沙粒的直径应远远大于1米；沙粒基本上是石块。加上这几个条件后，另外一些矛盾又来了。如果沙粒直径远远大于1米，由于力学上的原因，如果是周期彗星，这个沙粒组成的松散彗核将在轨道方向上拉得越来越长，以至会分布在整个轨道上。这与观测事实不符。如恩克彗星是一颗短周期彗星，它绕太阳已有千百圈了，而彗核拉得并不长。至于说它的沙粒和蒸发物可以从行星际空间得到补充，近来对行星际空间的探索已证明这是不可能的。所以近来认为“沙砾模型”是不合理的。
1949年，美国天文学家惠普尔“冰冻团块模型”，认为彗核是由冰和尘埃冻结在一起的团块，或者用更通俗的说法，彗核是“脏雪球”。这个模型的提出，是有较多的理论和观测依据的，它可以较好地解释许多彗星现象。例如，彗星走近太阳时受热，只从冰彗核表面升华出气体，并带出尘埃，形成彗发和彗尾，而彗核内部仍很冷，所以彗核能维持下去，或者说有较长的寿命。
为了更好的解释各种彗星现象，就需要对彗核的结构和性质作具体的讨论，因而“冰冻团块模型”又有了发展，提出了多种具体模型，下面仅介绍其中的两种。
德尔塞姆和惠更斯等的彗核模型。这是一种从内向外有“核-幔-壳”的层状结构的彗核。彗核的中心部分可能是固态核，其化学组成类似于碳质球粒陨石，但是否如此，还有怀疑。固态核外面的“幔”是原来的冰物质，主要成分是水(H20)、冰或冰雪，可能某些彗星中还含有较多的比水冰更易升华的干冰(二氧化碳冰)，同时还夹杂着数量不少的尘埃。这样物质形成“固态水合物”，即在冰的结晶格中嵌入其他成分，这是大小为0.1～1毫米的特殊结构。“幔”的外面是分层的不规则“外壳”。太阳辐射的加热作用使冰升华，同时也导致外壳分层。由于外壳结晶不均匀，表层下升华气体可储人气囊。外壳经常受到内部颗粒的碰撞，外壳是多孔的。尤其是碰撞可使气囊破裂，气体带着尘埃抛出而成为喷流。彗核表面升华的气体也带出尘埃，形成彗发，升华气体也带出冰颗粒，形成冰粒晕。
多恩和休布诺等的彗核模型。是一种没有“核-幔”结构的不均匀的模型。核中有一些较大的星子或称小彗体，它们是在太阳系原始云中形成的小物体，后来与很小的冰-尘聚合物结成为彗核，因而密度低，结构松散，易于碎裂。这种彗核表面的升华过程与前一种相似。
观测表明，彗星物质(气体、尘粒和冰粒)以每秒几百米的速度从彗核表面蒸发而喷出，那么，它是按照什么具体物理过程进行的呢？彗核蒸发损失物质的速率又是怎样的呢？这个问题也有一些理论研究和实验研究。在物理学中有一个重要定律——能量转化守恒定律。能量只能从一种形式转化为另一种形式，但能量不能消失，也不能创造。彗核蒸发理论正是从这个基本定律出发的。太阳辐射能量照射到彗核表面，其中一部分被反射掉，另一部分被吸收。在被吸收的这部分能量中，有些转化为红外再辐射，另一些被物质的热传导、辐射和气流转移到彗核内部，其余的用于蒸发，或者我们可以简单地用下面关系表示彗星中的能量转化守恒定律。
M⊙＝Ma+Mb
M⊙化表照射彗核的太阳辐射能量，Ma代表彗核表面的反射能量，Mb代表彗核吸收的能量。
MeMb＝Mc+Md+Mc
Mc代表红外再辐射的能量，Md代表蒸发冰的能量，Me代表向内部转移的能量。
照射到彗核表面每平方厘米面积上的太阳辐射能跟彗星离太阳的距离的平方成反比，跟照射角度也有关(例如，垂直照射最强)。彗核表面的反照用反照率来表示，反照率是反射的辐射能量与照射的辐射能量的比值。反照率和彗星物质有关，也和彗核表面的几何性质以及结构的粗糙程度有关。彗核吸收的能量跟彗星物质及结构有关。向内部转移的能量跟彗星物质导热率等有关。蒸发冰的过程不是经过冰溶化为液体再变为蒸气，而是直接从固态冰升华为气体，蒸发过程就是升华。蒸发冰的能量跟升华热(每秒钟从一平方厘米面积上升华的分子数)有关。此外，还要考虑彗核的自转。综合考虑上述种种因素并进行计算是很复杂的和困难的，通常只能作一些简化的计算，例如，忽略向内部转移的能量。惠普尔和休布诺等所作的就是这种简化的计算。
在假定照射的太阳辐射能量全部被彗星吸收并用于再辐射的条件下，可得出彗核表面温度与它的日心距r的平方根成反比，即
T=289rK1/2
T为彗核表面温度，K为绝对温度，r为日心距(以天文单位表示)。在日心距大时(大于10天文单位)，蒸发过程不重要，只有再辐射过程决定温度。在日心距减小时，水、雪蒸发在彗核能量损失中变得越来越重要，由于能量用于蒸发，温度增加较慢。在日心距小于0.8天文单位时，蒸发在能量损失中占主导地位。但是，在彗星更接近太阳时，由于蒸发出的气体己很多，气体压力增大，阻碍蒸发，因而能量又多用于使温度增加。
彗核中可能含有好几种“雪”，它们的蒸发率不同。从雪的蒸发率可以算出彗星的亮度(归化星等)，把它与观测星等(归化到地心距1天文单位)比较，就可以判断彗核中以哪种雪为主。对彗星的观测表明，彗核的主要成分以冰雪为主。
到现在为止，只是给出了彗核模型的初步图像，彗核的实际情况还是个谜，因此人们把希望寄托在这次哈雷彗星的回归，通过联合的空间观测，很可能对彗核的认识有所突破。
