作者：王熙

中國科學院國家空間科學中心

空間氣象學國家重點實驗室

彗星最大的特點是它的長尾，因此在古代也被稱為“掃帚星”。

好奇心，為什么彗星會拖長尾巴？這條長尾是怎么形成的？

要回答這個問題，首先要了解彗星的結構。

彗星救援三部曲：彗星、彗星、彗星尾

簡單地說，彗星分為“慧頭”、“慧發(fā)”、“慧美”三個部分。彗星頭部的慧核是它的核心，由冰物質(zhì)組成。因為它出生的地方很冷。彗星接近太陽時，彗星的物質(zhì)升華，在頭部彗星周圍形成一團淡淡的，稱為慧發(fā)。彗星的揮發(fā)性物質(zhì)被吸引到稀薄物質(zhì)流的尾部，形狀像掃帚一樣的東西叫做惠美。

艾森彗星照片(資料來源：)

慧頭的核心是彗星的核心，也是揮發(fā)物質(zhì)的來源。(威廉莎士比亞、彗星、彗星、彗星、彗星、彗星、彗星、彗星、彗星)一般我們認為彗星是由石頭、鐵、灰塵、氨、甲烷、冰組成的固體。所以有時我們稱彗星為“骯臟的雪球”。“雪”是冰結的水，“臟”是各種雜質(zhì)的混合?；酆说闹睆胶苄?，從幾公里到十多公里不等。最小的甚至只有幾百米。慧核的平均密度是每立方厘米1克，占彗星質(zhì)量的95%以上，以后要說的其他部分有多稀疏，也有多“迷惑”。

慧發(fā)是慧核周圍由氣體和塵埃組成的球狀霧，像外膜一樣包裹慧核，或像慧核周圍的“大氣”。但是彗星比彗星大得多，半徑可以達到幾十萬公里，平均密度小于地球大氣密度的十億分之一?；莅l(fā)是惠核中揮發(fā)的氣體，從里面流出的平均速度為每秒1 ~ 3公里?；郯l(fā)中氣體的主要成分是中性分子和原子，包括氫、羥基、氧、硫、碳、一氧化碳、氨基、氰化物、鈉等。

在實際觀測中，科學家們發(fā)現(xiàn)彗星在慧發(fā)外面圍繞著氫原子構成的云，直徑可以達到100-1000萬公里。這種物質(zhì)被稱為“慧云”或“氫云”，也可以計算為彗星的一部分。但這只是彗星的一部分。

彗星的一般結構(資料來源：

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我們看到飛機飛過天空，有時會留下這樣的白色痕跡。那么彗星有這么稀薄的氣體，高速飛行時“尾巴”就是它后面的軌跡嗎？事實上，惠美形成的原因不是那么簡單。

科學家們?yōu)榱颂骄炕菝雷鲞^什么推測？

科學家們不斷觀察后發(fā)現(xiàn)，彗星運行到太陽附近時，電離的惠美總是背對太陽，離太陽越近，尾巴越長。也就是說，如果你靠近太陽，然后飛走，這時飛行方向和惠美方向都是遠離太陽的。(莎士比亞)。

1950年左右，Hoffmeister和Biermann解釋說，這種現(xiàn)象可以通過從太陽發(fā)射的連續(xù)流出物質(zhì)傳送到彗星氣體來解釋。因此，太陽粒子流(太陽風)的速度估計約為400公里/秒。這表明太陽粒子流(太陽風)是一種日常現(xiàn)象，充滿了整個空間。

但這不是推測的開始。早在1858年，天文觀測者就發(fā)現(xiàn)磁暴每27天就會再次出現(xiàn)。20世紀初對北極光和地磁活動的觀察、研究表明，極光和磁暴都有27天的再現(xiàn)性，這就是我們站在地球上繞太陽一周的周期。

這么說，一定是有什么東西從太陽表面的某個位置發(fā)出后到達了地球。(威廉莎士比亞，《泰姆派斯特》，《天堂》)所以，27天后太陽轉(zhuǎn)了一圈，就會再次來拜訪我們。當然，我們還不能計算速度。也許釋放的只是輻射。

1859年，天文學家卡靈頓等人首先觀測了白光斑，大約兩天后，地球出現(xiàn)了強烈的地磁暴。這很奇怪。因為耀斑輻射是電磁波，8分鐘就能到達地球。但是像這種耀斑輻射一樣的東西，需要兩天左右才能到達地球，從而擾亂了地球的磁場。這種現(xiàn)象是引起“太陽向外釋放物質(zhì)”想法的開始。

藝術貼圖：太陽發(fā)射物質(zhì)(來源：

)。

20世紀30年代和40年代，英國著名科學家查普曼(Chapman)和費拉羅(Ferraro)對磁暴和極光進行了大量研究，他們認為這些地球物理現(xiàn)象都來自面向地球的太陽粒子流。

查普曼提出了這樣的構想：當來自太陽的帶電粒子流沖向地球附近時，高空會形成額外的電流環(huán)，從而阻礙地磁聲音的自爆。(威廉莎士比亞、溫德堡、磁暴、磁暴、磁暴、磁暴、磁暴、磁暴、磁暴、磁暴)根據(jù)這個構想，太陽的一個區(qū)域需要不斷輻射粒子流。因為

為太陽在自轉(zhuǎn)，這個區(qū)域也應該跟著太陽一起旋轉(zhuǎn)。這個區(qū)域逐漸被叫做M區(qū)——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(qū)的粒子流導致了一些與耀斑沒有關系的地磁暴?，F(xiàn)在我們管M區(qū)叫冕洞了，它流出的正是高速太陽風。

冕洞照片（來源：

）

有關于太陽風的爭論，決定了彗尾的形成

人們離“太陽風”的想象已經(jīng)如此之近，不過我們并不能肯定太陽風是一種日常的、持續(xù)不斷的現(xiàn)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）處于靜止模式，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(zhì)子）和電子。

查普曼假定日冕及其向外延伸的氣體都處于靜止狀態(tài)（也就是靜態(tài)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里吸，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(jù)計算的太陽日冕溫度，按照相應的物理規(guī)律算下來，太陽的引力可拉不住溫度這么快的氣體往外跑，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。他認為由于日冕底部的高溫，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后，被逐漸加速并最終達到超聲速，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。人類航天器上天之后，就開始努力尋找太陽風及其所符合的特征。以水手二號為代表的飛船探測到長期的、持續(xù)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于太陽風的爭論。

示意圖：太陽風從太陽到地球（來源：

）

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征之后，這個問題也就迎刃而解——彗尾是太陽風“吹”出來的彗星揮發(fā)物質(zhì)，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，由于溫度升高、揮發(fā)加劇，彗發(fā)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里，如 1842Ⅰ彗星的彗尾長達 3.2億公里，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(xiàn)象時相當驚恐，有謠言說，人類會被彗尾的毒氣毒死。不過現(xiàn)在我們知道了，人類對這種現(xiàn)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：

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來源：科學大院

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來源： 國家空間科學中心