地球科學園地

一九九九◆三月春季

《第九期》

 

 

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流星雨的成因

蔡文祥/中央大學天文研究所

 

《圖一》當星星圍繞著北極星作日週運動時,在相機長時間曝光下,會在底片上留下像同心圓的軌跡,而流星的軌跡則像下雨般劃過星空,左下角的光亮是台中、南投的光害。

  仰望夜空,滿天星斗令人心曠神怡,偶爾劃過天空的流星更令人欣喜。但是你曾想過流星到底是什麼嗎?對著流星許願,真能實現嗎?或者流星是從天上落下的星星呢?流星看似不規則地往天空四面八方散去,有時會同時出現好幾顆,有時苦等好久才見到一顆。其實,流星的出現是有跡可尋的,這就得從流星的形成說起。

 

流星的形成

  太陽系裡,除了大家熟知的九大行星、幾十個衛星、數以千計的小行星,以及週期性或不定期來訪的彗星之外,還散佈著成千上萬的冰塊和灰塵顆粒,和太陽系的其他星體一樣繞著太陽公轉,由於這些顆粒質量小,易受質量較大的地球重力或太陽風影響,有機會墜入地球形成「流星」(meteor, shooting star),因此這些顆粒一般稱為「流星體」(meteoroid)。

  事實上,除了太陽系初期形成的流星體之外,那些遠從太陽系外緣來訪的彗星,也會帶來大量流星體,這些流星體成群掉落地球後,就形成了我們夜晚所看到的美麗流星雨。

  對科學研究而言,天文學家研究流星的形成,可以增進我們對太陽系形成及彗星的瞭解;太空學家分析流星的發光,可以幫助我們瞭解大氣;更有生物學家研究掉落到地面的隕石,希望能找出六千五百萬年前恐龍滅亡的原因。但對大多數人而言,流星是夜空中最美麗、也最令人心動的天文景象。

流  星

 

  在太空中的塵埃、冰塊等顆粒,受地球重力吸引掉入地球,和大氣摩擦使空氣分子受熱分解而發光,在夜晚出現一道劃過天空的光線,持續時間大多不到1秒,偶有持續2∼3秒的流星。大部份肉眼常見的流星亮度相當於織女星、獵戶座(1∼3等星)。

 

流星體的大小

  肉眼常見光度大約2等星的典型流星,其流星體顆粒通常小於0.001公分;彗星造成的流星體,密度大多在每立方公分0.3公克左右。另有一些流星雨可能是小行星的碎片造成的,例如:雙子座流星雨,這類流星體的密度大約是每立方公分2公克,比彗星流星體硬得多了。

隕石(Meteorite)

 

  掉入地球的外太空物體,因其質量較大或密度較高,通過大氣時尚未燃燒完畢就到達地面,稱之為隕石。

火球(fireball)

 

  比火流星更亮的流星,看起來好像一顆在空中高速飛行的火團,通常質量大到會落到地面成為隕石的外太空物體較易形成火球。

 

流星的速度和高度

  隨著地球和流星體碰撞的角度及方式的不同,流星體相對於地球的速度,可從每秒11公里到最快的72公里。地球和流星體就像是兩個球一樣,如果正面對撞,相對速度最大;若是地球追上流星體則相對速度最小。

  大部份的流星在離地面80至120公里的高空開始發光,當流星速度和質量愈大時,流星消失的高度也就愈低,例如:火流星有時會衝到離地面一、二十公里處,還有機會聽到流星體摩擦大氣所產生的爆裂聲。

 

流星為什麼會發光?

  我們所看到流星的光芒,其實是流星體和空氣分子共同產生的。當流星體以極高的速度進入大氣時,具有很大的動能,和空氣摩擦生熱的結果,使空氣中的分子(如氮氣、氧氣)和流星體汽化後形成帶電離子氣體,而且受到能量影響,不同元素會發出不同波長(顏色)的光,在夜空中留下持續一段時間的光芒。我們可以藉由一些光譜分析設備,來研究流星所發出的光,進而瞭解流星的成分(圖二、三)。

  此外,因為能量的高低會影響不同原子發光的情形,可藉由流星的顏色分析出流星的速度。較高速的流星,能量較高,可以游離分解鈣金屬而發光,例如:英仙座流星雨;而鎂、納、鐵等元素則較常出現在慢速流星,例如:雙子座流星雨。

《圖二》中央大學天文所於1998年獅子座流星雨時所拍攝到的流星光讚,可用來分析流星的成分。
 
《圖三》由中央大學1998獅子座流星雨觀測隊攝於中大鹿林前山天文台(海拔2,862公尺),右上小圖是天狼星和流星的光譜。

 

流星的速度決定亮度

  流星亮度主要受流星體的大小和流星體進入大氣層時的速度所影響。大部份的流星都是以極高的速度(秒速11至72公里)進入大氣,此速度遠大於流星消失前受到大氣阻力影響所產生的減速。我們可以用一個常見的公式來瞭解流星的能量狀態:物體運動能量等於速度平方乘以質量的二分之一。所以,質量越大或速度越快的流星,能夠產生越多的能量與空氣分子碰撞。一般來說,能量越高流星亮度就越大,例如:1998年11月的獅子座流星雨,落入地球的速度高達每秒70公里左右,所以觀賞到的流星多數是很亮的火流星(圖四、五)。

《圖四》1998年11月18日微光攝影機拍攝到清晨出現的超亮火流星,9張流星慢動作分解畫面(每張是1/10秒)順序是從左上角開始,由左向右,再向下,結束於右下角。由照片中可以看到,原本是漆黑的天空。突然被一顆流星照亮,小畫面斜右側的黑影是拍攝地點鹿林天文台的圓頂,流星不但照亮了外面的夜空,還照亮了圓頂內側,由此可知流星的亮度是非常驚人的。
 
《圖五》質量較大的流星體有機會造成火流星,亮度至少比金星(-4等星)亮,出現時間可待續2∼3秒。流星的速度和質量越大,消失的高度也越低,火流星有時會衝到離地表10∼20公里處才消失,甚至還可聽到火流星發出的聲音。

 

什麼是流星雨?

  幾千年前人類就開始對天空產生好奇,在歷史上留下了各種天文景象的記錄。研究這些記錄發現,大部份的流星是隨機出現,而出現位置也不固定;但有一些流星呈規律性的出現,或出現位置是從夜空某一特定位置散射出來,而且在短時間內出現大量的流星,若一小時內出現的流星數目達數十顆或上百顆時,稱為「流星雨」(meteor shower, meteor swarm);若出現數量達幾百顆或者幾千顆時,則稱為「流星暴」(meteor storm)。

 

彗星是流星雨的母親

  我們所觀測到的流星雨主要跟彗星有關。當彗星接近太陽時,受太陽風影響,會不斷拋出許多灰塵,也就是流星體(圖六)。這群流星體會沿著彗星軌道散佈,形成一條環狀灰塵流。但流星體並非一直留在軌道上,而是隨著時間受到太陽風影響、本身內部互相碰撞,或其他行星重力影響,逐漸消失。當地球穿越彗星軌道附近時,流星體會受地球重力影響墜入大氣層,形成流星(圖七);若地球重力捕捉到的是一大群彗星流星體,就形成了流星雨。

  在地球上並不是每個地方都能同時看到流星,只有當流星體墜入地球大氣層時,大多數流星體所瞄準的地區剛好是夜晚,才能看到流星雨的景象。若想看到壯觀的流星雨,最好的機會就是,造成流星體的母彗星經過地球公轉軌道附近,而地球恰好也接近彗星軌道的時候,例如:1966年11月16日的獅子座流星暴期間,美洲觀測者每小時可看到約6萬顆流星。

母彗星

 

  提供流星體來源的彗星稱謂母彗星。有時一個彗星會造成數個流星雨,例如:哈雷彗星便是7月寶瓶座流星雨和8月獵戶座流星雨的母彗星。

 
《圖六》對地球公轉軌道面而言,定義北極所指的方向為「上」,南極所指方向為「下」,當彗星由下往上運行穿越軌道面時,和地球公轉軌道相交的點稱為「昇交點」,也就是B點;反之,若彗星由上向下運行,和軌道的交點稱為「降交點」,即A點。通常我們所看到的流星雨就發生在這兩個地方。而當彗量運行時會不斷拋出一些灰塵、冰塊等小顆粒,這些顆粒稱為「流星體」,會沿著彗星軌道散佈,形成一條環狀灰塵流。
 
《圖七》散佈在彗星軌道的流星體,並不會一直留在軌道上,而會受到太陽風、其他行星引力,或流星體之間互相碰撞的影響,隨著時間慢慢擴散移動,甚至消失。所以當地球運行至昇交點或降交點附近時,如果還有不少流星體散佈在彗星軌道上,我們就有機會看到流星雨。否則,即使是週期性出現的流星雨,也會因為彗星軌道上流星體的擴散或消失,致使流星雨並未如預期般出現,例如1933年的獅子座流星雨。

 

流星雨的週期

  流星雨是地球經過彗星軌道時產生的,因此流星雨的週期便和母彗星的週期有密切關係。若彗星回頭週期短,或彗星留在軌道上的塵埃數量很多,則每年地球經過彗星軌道時都可捕捉到很多流星體,我們就可定期看到流星雨,例如:8月的英仙座流星雨、10月的獵戶座流星雨。若彗星軌道上的流星體分佈不均勻,或母彗星週期較長,則只有母彗星接近時才有較多的流星體,例如:獅子座流星雨的母彗星,坦普-塔爾特彗星,其週期約33.2年,我們大約每33年可以看到一次壯觀的流星雨,而這個時期流星的數量遠大於平時地球行經彗星軌道時的數量,所以此時亦稱為流星雨的極大期。

流星雨極大值

 

  在流星雨來臨期間,並非每一天看到的流星數量都差不多,中間會有幾天流星數量特別多,最多的那一天就是流星雨的極大值,前後幾天數量則比較少,這是因為落入地球的流星數量,會隨著地球接近流星體軌道而增加、遠離軌道而逐漸減少。

 

流星雨的輻射點

  流星雨來臨的夜晚,觀測者在短時間內觀測到的數量相當多,大部份的流星看起來好像是從天空某一特定位置向四面八方散射出來,彷佛在此位置上存在一個星體專門來散射流星,而且這個位置還會隨著時間像其他星體一樣移動,我們稱此一特定位置為「輻射點」,並且可以確定輻射點的座標是不會隨意改變的(圖八、九)。

  造成這種現象的原因是,在彗星軌道上成群移動的流星體,繞太陽運行的方向是一致的,當地球遇到這群流星體時,流星體平行落入地球,對地球的觀測者來說,流星衝入的方向就是輻射點的方向。向輻射點望去就如同站在鐵軌上往遠方眺望,兩道鐵軌好像從遠方同一點延伸過來,鐵軌就好比流星路徑,遠方那一點就是輻射點。

點流星

 

  指的是剛好正對著觀測者落下呈點狀的流星,在流星輻射點看到的流星就是正對著觀測者的點流星。所以在流星攝影時若拍攝到點流星,我們就可以很容易決定流星雨輻射點的位置。

 
《圖八》當地球接近彗星軌道時,流星體會受地球重力吸引而落入大氣層,和大氣層摩擦發光形成流星雨。事實上,流星雨是一群方向大略平行的流星體陸續落入地球產生的。而流星體相對於地球公轉軌道面的夾角,就是彗星軌道和地球公轉軌道的夾角,這個角度幾乎是不變的,所以我們看到流星雨的輻射點總是出現在同一星座。
 
《圖九》流星雨來臨期間,大多數的流星看起來像是從「輻射點」散射出來似的,這是因為我們正好面對這群流星雨的緣故,就如同站在鐵軌上往遠方眺望,兩道鐵軌看起來像是從遠方同一點延伸過來。通常我們以輻射點所在的背景星座來為流星雨命名。

 

流星雨的命名

  輻射點的位置像星座一樣固定,因為地球軌道和彗星軌道相交的角度固定,彗星產生的流星體掉入的方向和地球運行軌道閒的角度也就固定,除非軌道的交角改變,否則特定流星雨的輻射點於天空所在的星座位置也是固定的,我們可依據流星雨輻射點所在的星座來為流星雨命名,例如:獅子座流星雨就是因為輻射點位於獅子座而得名。

 

流星雨在哪裡?

  在晴朗無雲、無光害的夜空,人類肉眼可以看到最暗的星星,大約是6等星,而每天掉在地球上且亮度超過5等的流星大約有一億顆,每年掉到地球上的流星也超過兩千噸。平均來說,偶發性流星(不屬於任何一群流星雨)每小時大約五到六顆;在流星雨來臨期,大約可以達到每小時一、二十顆。只有少數的流星雨期間,例如:英仙座流星雨、獅子座流星雨,可達到每小時四、五十顆甚至更多。

  理論上,在可以看到6.5等星的無雲夜空,當流星雨的輻射點位於正天頂時,每小時出現的流星數目,稱為「流星天頂小時率」(Zenithal hourly rate, ZHR),可用來佔算一個流星雨的流星數量的多寡;實際上,受到雲量、背景光害、大氣條件,以及輻射點出現位置等因素影響,我們所能看到的天頂小時率,會小於理論值。

  影響流星出現的因素雖多,主要還是不同流星雨期間,地球穿過的流星體豐富程度不同決定了流星數量的多寡。此外,若地球接近流星體時,迎向流星體的那一面剛好是下半夜,我們所看到的流星數目會遠多於上半夜(圖十)。這就像在雨中開車時,迎著雨的擋風玻璃雨勢看起來較大的道理是一樣的。

《圖十》同一個流星雨來臨期間,下半夜的流星比上半夜多,就像在雨中開車,迎著雨的擋風玻璃看起來雨勢較大是一樣的,摘自《Sky & telescope》 Observer's Guides 系列中Neil Bone 所著「Meteors」一書,第39頁。

  並不是輻射點屬於那個星座的流星,都會出現在該輻射點附近。其實在輻射點附近反而不容易看到亮的流星,因為流星的亮度主要和大氣的摩擦效應有關,當流星體越遠離輻射點時,表示流星體掉入地球大氣層越深、離地面越近,和大氣的摩擦也就越劇烈,所以會特別亮。例如:1998年11月18日獅子座流星雨,中央大學觀測隊在玉山國家公園鹿林天文台肉眼觀測到流星最多的位置並不是在獅子座,而是在大熊座附近。

  觀測地點也會影響觀測到的流星數量,主要是因為流星是區域性的現象。例如:1998年獅子座流星雨的最佳觀測地點是中國大陸的東北,其他地區如台灣所能看到的流星數量就不如大陸東北地區了。

《圖十一》流星劃過天空光芒消失後,會沿著軌跡在天空留下一道亮度不高的痕跡,稱為「流星餘跡」或「流星煙塵」,像飛機飛過後留下一道雲氣一般。這道痕跡會慢慢擴散然後消失,有時可以持續50∼60分鐘才消失。這些痕跡是由流星燃燒產生的帶電原子氣體(電漿)所組成,賞反射電磁波,因此我們可以在雷達上偵測到這些痕跡。(台南周銀王攝影)

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