天文太空

閃耀天際的流星雨

宇宙塵埃經過地球大氣層,為何會化身為耀眼的流星雨?從流星雨顏色、存在空中的時間,可以看出它們的哪些特性呢?

撰文/楊嘉慧
審稿/陳岸立(天文科學教育館資訊研究組組長)、蔡文祥(前中央大學天文所教授)
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天文太空

閃耀天際的流星雨

宇宙塵埃經過地球大氣層,為何會化身為耀眼的流星雨?從流星雨顏色、存在空中的時間,可以看出它們的哪些特性呢?

撰文/楊嘉慧
審稿/陳岸立(天文科學教育館資訊研究組組長)、蔡文祥(前中央大學天文所教授)
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 在「追星族」眼中,最美麗的夜景莫過於流星雨。幾千年前,人們對於它的出處有諸多揣測,有一種說法認為它是地表某些物質受太陽照射後,上升至大氣層並燃燒的結果,也有人認為那是太陽餘暉在夜空中折射所造成的現象。直到19世紀人們才知道,原來流星雨是地球路過彗星軌道時所獲得的驚喜。


「流星雨之王」獅子座流星雨於2001年造訪地球的景象。(影像來源∕台北市立天文科學教育館)


彗星塵粒化身美麗流星


 太陽系裡,除了行星及其衛星外,還散佈著許多灰塵顆粒與碎冰塊,這些塵粒可能是從太陽系生成時就已存在,可能是彗星表面物質受太陽光照射而崩解,也可能是小行星被撞擊後產生的碎片。由於塵粒質量小,經過地球附近時,很容易受重力吸引而墜入地球,它們進入大氣層時因高速摩擦大氣而燃燒發光,就是流星,而這些塵粒便稱為「流星體」(meteoroid)。

 大部份流星出現的時間並不固定,出現的位置也是隨機,但是每年總會固定在某些月份、某些方位出現大群流星,每小時可能有數十至上百顆流星,最密集時甚至高達上萬顆(此為1833年的記錄,近年來並未發生過),就是流星雨。較著名的流星雨包括1月象限儀座流星雨、8月英仙座流星雨、12月雙子座流星雨,以及被稱為「流星雨之王」的11月獅子座流星雨。


流星雨的成因與彗星有關,當地球公轉軌道與彗星軌道相交時,從彗星崩解下來的塵粒會進入地球,此時有機會看到流星雨。(影像來源:台北市立天文科學教育館)


 流星雨是否都來自彗星軌道上的流星體仍有爭論。台北市立天文科學教育館資訊研究組組長陳岸立舉例說,有一些科學家認為12月雙子座流星雨可能是直徑約5公里、軌道週期1.4年的小行星菲以頌(Phaethon)受到行星潮汐力拉扯、太陽輻射光壓或其他小行星撞擊,產生許多灰塵顆粒所造成的。然而,另有一些天文學家認為,小行星是由岩石組成的,並不像彗星能噴發出大量物質,他們根據軌道遺留的塵粒推論,菲以頌原先應該也是彗星,只是外層結冰物質已經蒸發殆盡。


意外交會,劃過天際


 流星雨壯觀與否,與彗星週期及彗星遺留在軌道上的流星體數量多寡有關。陳岸立表示,散佈在彗星軌道的流星體會受到太陽風、行星引力、流星體的碰撞而隨著時間擴散,所以地球每年運行到彗星軌道附近時,遭遇的流星體數量都不一樣。一般而言,當母彗星接近地球時,會再次帶來較多的流星體,產生的流星會比較多,例如獅子座流星雨的母彗星週期約33年,每33年便可看到一次壯觀的獅子座流星雨。

 流星雨來臨期間,每天的流星數都不一樣,這是因為流星體的數量會隨著地球接近彗星軌道而增加、遠離而減少,理論上流星雨的極大值出現在地球最接近彗星軌道之時。此外,同一夜晚、不同時段的流星數量也有差異,下半夜看到的流星總是比上半夜多且精彩,原因是上半夜流星體是與地球同運行方向墜入地球,相對速度較慢,燃燒亮光較弱;但到了下半夜,流星體是迎面撞上地球,不僅數量多,相對速度也較快(見動畫)。這與在雨中開車,前面的擋風玻璃迎著雨勢,會有較多雨滴打到玻璃的道理是一樣的。 


圖為從北極位置看流星進入地球的示意圖。上半夜時,流星體運行的方向與地球一致,進入地球大氣層的流星體不多;到了下半夜,兩者迎面相撞,相對速度變快,進入地球的流星體會比較多。(電腦繪圖:姚裕評)


 陳岸立指出,欣賞流星雨時,觀測者可能會覺得流星雨是向四面八方散射開來,但如果觀測者將這些流星的路徑反向延伸,會發現它們都是從天空中某一個特定位置進入地球,此特定位置稱為「輻射點」。每一個流星雨的輻射點對應的星座位置是固定的,因此天文學上便依據輻射點所在的星座來命名(見下圖)。


流星體是從外太空以某一特定方向平行進入地球,由於距離相當遠,因而觀測者看到的流星雨會像是流星從某一點以輻射狀散開來。而流星雨便是依據輻射點所對應的星座命名。圖為英仙座流星雨示意圖,紅線為流星軌跡,將紅線延長,所交會處即為輻射點。(影像來源:台北市立天文科學教育館)


絢麗多彩的秘密


 流星劃過天空時,留下的光芒並非全都是相同亮度及顏色。前中央大學天文所教授、目前任職於美國GIM電腦公司的蔡文祥是國內第一個專攻天文觀測也是首度引進CCD天文觀測的學者,他表示,流星體以每秒11~72公里的高速進入大氣層,本身帶有很大的動能,並與空氣摩擦生熱,而在離地表80~120公里處開始燃燒發光。一般而言,質量大的流星體,燃燒的時間較長;而質量大、速度也快的流星體,產生的能量更高,流星也更亮,例如能產生耀眼光亮的火流星,就是質量超過數百克的流星體快速進入地球,與大氣摩擦的結果。

 流星會放出各種不同顏色(波長)的光,是因為流星體的組成元素各不相同,高溫時空氣分子與流星體會變成帶正電的離子和電子,當電子和正離子重新結合時,便會以光的形式放出能量;不同元素會發出不一樣的光,流星體中常見的鈣、鎂、鈉、鐵等元素,通常分別會發出紫色、藍綠色、橘黃色、黃色的光,也因此為夜空帶來許多變化。

 在知道流星雨的成因,以及亮度、顏色與流星體的關係後,下次熬夜等待流星雨時,不妨試著分析每顆流星的特性,就能對該次的流星雨有深入的了解。



躺椅上等候流星雨


  台北市立天文科學教育館資訊研究組組長陳岸立指出,通常流星天頂小時率(zenithal hourly rate, ZHR)達50顆以上者,天文館就會建議民眾欣賞流星雨。ZHR是指沒有光害且輻射點在天頂時,觀測者每小時可以看到的流星數量,大型的流星雨ZHR通常可以超過100顆。

  觀測流星雨的原則是找個空曠、沒有光害的地方,用肉眼觀察即可,因為使用望遠鏡反而會讓觀測視角變小。此外,光害也會影響觀測,所以若自行開車或騎車至觀測點時,應該及早到達,並把車燈關掉,而攜帶的手電筒等照明工具,也最好以紅色玻璃紙包住光源,用微弱的紅光照明。

  欣賞流星雨必須長時間抬頭仰望天空,觀測者若能準備躺椅可避免頸部痠痛,也不會漏掉從各個方向來的流星。若想統計流星數量,可準備計數器或錄音工具,以人力計算流星數量,而更詳盡的觀測記錄尚包括觀測環境、地點、觀測時間以及天候狀況等。

  陳岸立表示,要拍下每個視角的流星雨,可以同時準備多台相機,讓鏡頭對準不同方位。不過,由於傳統相機曝光必須長達數分鐘以上,受地球自轉影響,背景恆星會在畫面上形成軌跡,這時可將攝影器材架設於赤道儀上,讓鏡頭隨著地球自轉的方向轉動,使天體看起來固定不動,拍出來的星空就能與眼睛所見一樣。在所有工具準備齊全後,最後就是耐心等候流星雨的到來。






延伸閱讀

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〈流星雨〉,蔡文祥撰文,《天文館期刊》33期

〈光讓世界變彩色〉,李名揚 撰文,《科學人》2008年5月號

高一課本《基礎地球科學》

高三課本《地球科學》下冊