物理科学探疑-网友天空-系统观点-段灿光-彗 尾 成 因 论
彗 尾 成 因 论
段灿光
摘要：观测事实表明，彗星运动除受到太阳和行星的引力外，还受到某种非引力作用。彗星是太阳系内密度极低、物质分布极不均匀的天体。受行星际空间中稀薄介质——以太的影响，彗星呈现出特有的运动和形状变化。本文在一些基本假设的前提下，对彗星绕日运动的受力作了深入分析，引入以太浮力，讨论了彗尾成因，推得彗尾生消及其长短变化的近似计算式，解释了逆彗尾的形成，还讨论了彗尾长短变化跟轨道要素的关系和彗星物质的循环等问题，否定了彗尾成因的太阳风学说。
1、问题的提出
彗星是太阳系内绕日运动的小质量天体，运动轨道跟大行星和小行星明显不一样。离心率大、轨道扁是其最重要的特点。彗星的近日距和远日距相差十分悬殊，在太阳引力作用下加速度变化幅度很大。一颗彗星，尤其是轨道离心率大于0.9的掠日彗星，在绕日运动过程中可观测到，当彗星加速靠近太阳、彗日距离小于某一值时，彗尾由无到有，由短逐渐变长，愈近太阳彗尾愈长。彗星过近日点彗尾最长。过近日点后，彗星逐渐远离太阳，形态变化和接近时的情形基本相反，即彗尾逐渐缩短，最后消失。彗星周期性地绕日公转，引起彗星形态、彗尾长短的同步变化。且彗星轨道愈扁、近日距愈小，彗尾长短变化愈明显。
由于彗尾形成和尾长变化无法用古典力学解释，于是许多研究者认为，彗尾是受由太阳吹出来的大气——太阳风作用产生的，这就是至今仍流行的太阳风学说。根据这一理论推算，Ⅰ型彗尾太阳风斥力超过太阳引力约18～100倍，Ⅱ型彗尾斥力是引力的0.5～2.2倍，Ⅲ型尾为0.1～0.3倍。虽然太阳风学说可以说明彗尾的形成，但无法解释逆彗尾的存在，更无法解释气体分子离开彗核的速度、在彗头附近外部比彗尾内部快的现象。另一方面，如果彗尾真是由太阳风吹出来的，对于近日距小于0.5个天文单位的彗星，尤其是掠日彗星，很难想象这类庞大而又极轻的天体，竟然没被太阳风吹得远离太阳，反而稳定地处在由太阳引力决定的轨道上运动。更何况在近日点附近，掠日彗星有很长一段路径通过太阳大气、就象跟太阳并肩而行一样。如果有强大的太阳风斥力存在，两者能如此靠近吗？总之，太阳风学说只能阐述部分彗尾现象，说明不了全部观测事实。显然这一学说只包含了部分合理成分，但不是成熟理论，更非科学真理。它与观测事实的矛盾说明，这一学说必须修改或放弃。本文就是在彻底抛弃这一学说、假设行星际空间没有太阳风辐射压力的基础上进行论证的。
2、基本假设及相关说明
假设一：在太阳系内，存在着一种非常稀薄、密度处处相等而又充满了整个空间的物质媒介，这就是以太。以太浮力就是太空中的介质浮力，它类似于地球表面的介质浮力，是太空介质施加于运动天体上的浮力。关于以太浮力的起因、作用规律、计算等内容详见《以太浮力论》等文章。
假设二：彗星沿椭圆轨道绕日运动，遵守行星运动定律。彗核的运动代表整个彗星的运动，太阳相对彗星轨道的空间位置固定不变。彗星运动由太阳引力和以太浮力决定，忽略太阳风压力、太阳辐射压力和其他天体摄动力的影响。
假设三：跟彗核相比，彗尾的质量很小，加之彗星运动过程中总质量的波动亦很小。故假设彗星的全部质量集中于核上，并不会随彗星的运动而变化，即彗星质量为定值且集中于核上。
假设四：承认彗核的“脏雪球”模型，即彗核是由容易升华和凝华的物质跟一定比例的、在行星际空间中不会升华的级配铁质或石质碎块、颗粒以及宇宙尘埃混合冷冻而成的类球状固体。当彗星加速接近太阳时，“脏雪球”吸收热量，表面“雪”不断升华形成气固混合体，并按密度从大到小的顺序，从里到外成层包围着彗核，这就是彗发。随着彗星体积膨胀，当彗发半径增大到一定值时，在以太浮力作用下，最外层等离子体首先摆脱彗核引力约束成为独立绕日沿椭圆轨道运动的质点。质点脱离彗核的条件是太阳对它们的吸引力大于或等于彗核的吸引力。根据万有引力定律，这一条件可写成如下逻辑式
 上式中M和m分别是太阳和彗星的质量，r |
 |
γ2=Nγ。彗星上单元B 的物质密度最大，很可能是由铁质，甚至密度更大的物质碎块组成。在彗星运动过程中，同样假设单元B的体积、密度、物质成分、物理化学性质不变。从B到彗核表面物质密度连续递减，愈近彗核密度愈小，愈近太阳密度愈大。
假设六：如图1、图2示，假设单元A和单元B在摆脱彗核引力约束后，成为独立绕日运动的小天体，在太阳引力和以太浮力共同作用下，它们同彗核一起以日心作为一个共用焦点，沿不同的椭圆轨道运动。彗核、单元A和单元B三者的轨道，除离心率和近日距不同外，其余轨道根数相同，即
 3、彗尾受力分析 参见图1，跟彗核相比，彗尾和逆尾的质量极小，它们对彗核的吸引力非常弱，忽略不计。此外，彗核还受到两个力作用。一个是太阳引力P，方向指向日心，大小由万有引力定律确定。另一个是以太浮力F，方向跟太阳引力方向相反，大小由以太浮力计算式确定。彗核因体积小，密度比单元A大20个数量级以上，跟太阳引力相比，彗核受到的以太浮力F非常非常微弱，完全可以忽略。以致彗核运动规律由太阳引力决定，由天体力学理论知，运动轨迹为圆锥曲线。为简单起见，本文只讨论运动轨迹为椭圆曲线的情况，根据已知条件，彗核运动的极坐标方程为 |
 |
以日心为极坐标原点，（2）式中r和θ分别是彗核运动的极径和极角，d和e分别是轨道的长
半径和离心率。
单元A共受到三个力作用，太阳引力P1、彗核引力Pa和以太浮力F1，各力的方向见图1。太阳
引力P1指向日心，以太浮力F1与太阳引力方向相反。P1和F1都属辏力，在辏力场中，P1为引力，F1为斥力。单元A密度非常微小（可能跟太空背景场的密度相差不多），受以太浮力F1的作用十分明显，正是F1力使单元A脱离彗发成为彗尾的。Pa是彗核对单元A的吸引力，方向与P1基本共线同向。彗尾生成前，彗日距大，彗星半径小，引力Pa比太阳引力P1大，最外层的等离子体受彗核控制呈球状包裹着彗星。当彗星运动靠近太阳达到生尾距rs、彗发半径增大到生尾半径Rs、引力比Pa
P1等于1时，彗星最外层等离子体在以太浮力的作用下移向彗核背日面形成彗尾。彗尾出现后，彗日距愈来愈短，单元A距彗核愈来愈远，引力比Pa
P1很快减小。当尾长l达到200公里以上时，引力比Pa P1已小于1%，Pa对单元A的作用已可以忽略。随着彗日距进一步缩短，Pa趋于零。彗尾出现后，分析单元A的受力，通常彗核引力Pa完全可以忽略。于是，单元A只受到两个共线反方向力的作用，一个是太阳引力P1，另一个是以太浮力F1。这两个力同属辏力，由天体力学原理知，单元A绕日运动的轨迹仍是圆锥曲线。且从图2可看出，因单元A的轨道离心率e1小于彗核的离心率e，所以，运
动轨迹必定也是椭圆，而不可能是其它线形。设其轨道的极经、极角、长半径、离心率、运动周期、
加速度分别是r 1、θ1、d1、e1、T1、a1。取θ1=θ，T1
= T（θ和T分别是彗核运动轨道的极角和周期），则单元A的运动方程可写成：
另外，根据牛顿第二定律，单元A还可建立如下关系式
P1－F1 = m1 a1
（7）式中G为万有引力常数，k为以太浮力常数，m1、V 1和γ1分别是单元A的质量、体积和密度，其余符号意义同前。将（5）、（6）、（7）式代入（4）式整理后得
这里把q叫做轨道长半径胀缩系数。因q大小跟n和k有关，k是常数，所以，q值只随n的变化而变化。对于同种类型彗尾的彗星，可能n值相差不大，胀缩系数近似相等。
4、彗尾成因及哈雷彗星尾长计算
4.1、彗尾成因
彗星是一种小质量、密度极不均匀的天体。彗星加速运动时，不同部位质量相等的单元受到的太阳引力相同（实际上存在着微小差别，因各单元距日心的距离不同）。但由于各单元体积和密度不同，受到的以太浮力不同。彗发是气体、甚至是等离子体，密度低体积大，受到的以太浮力大；彗核是固体，密度高体积小，受到的以太浮力很弱。这样，彗核和彗发单元体因受力不同获得的加速度不同，运动速度也不同，以致相对运动。彗核加速度大，靠日近。彗发加速度小，离日远，运动到彗核的背日面集中，形成彗核周围气体的非对称分布。随着彗星靠近太阳，彗核吸收太阳辐射，表面物质不断升华，彗发膨胀。当彗发半径大于生尾半径Rs后，外层气体（或等离子体）受到的太阳引力大于彗核引力时，在以太浮力推动下，形成彗尾。此后，彗星靠太阳愈近，彗发愈大，更多、密度更大的气体受以太浮力和太阳引力的作用依次离开彗发补充彗尾，使彗尾伸长。天文观测表明，在彗尾内，远核部分物质密度低，近核部分物质密度高，这就是说，在彗星绕日运动过程中，彗尾出现后，无论彗发还是彗尾内部的气体，甚至等离子体，因存在密度差而相对运动。在彗星加速运动阶段，相对运动将彗尾越拉越长，彗星过近日点加速度最大，以太浮力最强，彗尾最长。相反，在彗星减速运动阶段，彗尾逐渐缩短。彗星周期性地绕日运动，彗尾周期性地生消、长短变化，就象弹簧受到按正弦规律变化的拉力作用一样，拉力递增时，弹簧逐渐伸长，拉力递减时，弹簧逐渐缩短。这就是彗尾形成并有
长短变化的物理机制。总之，受到以太浮力作用，彗星形态变化的规律是：彗星在距日超过生尾距
rs以外的轨道段上运动时，无论加速还是减速，因距日远，太阳辐射强度低，引力弱，加速度小，以太浮力很弱，彗发小或没有彗发，彗核周围气体或等离子体主要受彗核引力约束，无法形成彗尾，整个彗星好似一个绒毛球。彗星在距日小于生尾距rs以内的轨道段上运动时，距日近，太阳辐射强，
引力强，加速度大，以太浮力强，彗发大，彗核周围气体或等离子体主要受太阳引力和以太浮力约束，气体和等离子体从彗核向日侧向背日侧运动形成彗尾，并引起彗尾彗发多种多样的形态变化。彗星如是加速运动，受以太浮力作用，彗尾由无到有，由短变长，过近日点的尾巴最长，彗体非常庞大而明亮。过近日点后彗星减速运动，以太浮力逐渐减弱，彗尾、彗发形态变化跟接近太阳时的情景大致相反，即彗发膨胀，彗尾变短，最后消失，部分物质回到彗核上凝华，彗核体积增大。
4.2、哈雷彗星尾长计算
（14）式就是所求的结果
4.3、轨道根数同彗尾长短变化的关系
彗星轨道要素，只有近日距和离心率两个影响彗尾长度变化。彗尾是以太浮力作用的产物，以太浮力跟彗星运动加速度有关，凡是影响加速度的轨道要素都会引起尾长变化。近日距影响彗星的最大加速度，离心率影响加速度的变化幅度。近日距越小，彗星的最大加速度越大，最大尾长越长。近日距越大，最大加速度越小，最大尾长越短。近日距超过生尾距的彗星，不可能出现彗尾。离心率跟尾长的关系是，离心率愈大，轨道愈扁，近日距和远日距之差越大，彗星运动中加速度的变化幅度愈大，尾长变幅愈大；相反，离心率愈小，轨道愈圆，近日距和远日距之差越小，彗星运动中加速度的变化幅度愈小，尾长变化愈小。如是近日距大，绕日作圆周运动的彗星，要吗没有尾巴，要吗只有几乎不伸缩的超短尾，显得暗而不活动，地球上很难见其尾，最多能见彗发，这类彗星与小行星很难区分。例如，运行在火星和木星轨道之间的1942Ⅶ，除有点云雾状彗发外，没有彗尾，和小行星难以区别。而运行在木星和土星轨道之间的1925Ⅱ，不但没有彗尾，甚至彗发也很不发育，简直和恒星差不多。在彗星中只有一族，不但近日距最短，轨道离心率也最大，这就是掠日彗星。他们在运动中加速度的变化幅度十分惊人，最大加速度跟日面的重力加速度相差无几，作用在彗星外层气体上的以太浮力很大。只有他们才是尾巴最长、尾长变化最大、近日时最活动和最明亮的大彗星。
5、逆彗尾的受力及成因
见图1，单元B在逆尾顶端，为彗星密度最高的部位。密度一般应在7 ～20克 cm3，比彗核密度大7 ～ 20倍。图中P2和Pb分别是太阳和彗核对单元B的吸引力，F和F2分别是彗核和单元B受到的以太浮力。单元B的密度大，受到的以太浮力弱，F2可忽略不计。在彗星加速运动过程中，正常尾出现后，彗核表面“雪”加速升华，将冻在“雪”中的固体离散颗粒解冻，富集在彗核表面上，成为太阳和彗核引力共同作用下的质点。当彗星距日较近，彗核对这些颗粒的吸引力等于或小于太阳引力时，在以太浮力作用下，彗核同这些颗粒相对运动。彗核密度较小，受到的以太浮力较大，落在颗粒物后面，距日较远；颗粒物密度较大，受到的以太浮力较小，移动到彗核前面，距日较近，成为逆彗尾。彗尾生尾半径为彗发半径，逆尾生尾半径为固体彗核半径。逆尾生尾半径比彗尾小，生尾距较正常尾短很多。逆尾出现后，随着彗星靠近太阳，彗核受到的以太浮力越来越强，彗核对单元B的引力越来越弱，而太阳对单元B的引力却越来越强，使逆尾快速伸长。彗星过近日点的逆尾最长。彗星减速运动阶段，逆尾逐渐缩短，最后消失。
如用1986年宇宙飞船“乔托”对哈雷彗星探测的彗核半径估算逆尾生尾距，可取生尾半径Rs
= 5
见，形成逆尾的彗星必须具备两个条件：一是近日距小于1.5个天文单位，二是彗核的升凝华循环层内含有密度大于彗核平均密度的颗粒物。通常，近日距大于1.5个天文单位，或者彗核升凝华循环层内没有高密度颗粒物的彗星，无论运动轨道如何有利，都不可能产生逆尾。具有逆尾的彗星，逆尾随运动变化的规律跟正常尾变化规律相似。但是，由于逆尾与彗核密度之差远小于彗核与正常尾密度之差，加上逆尾存在时间短，所以，在正常情况下，逆尾应比正常尾短很多、细很多。逆尾内部，颗粒物密度从顶端到彗核递减，愈近彗核密度愈小，愈近顶端密度愈大。只有那些轨道离心率大，近日距小的彗星，才有可能在近日点附近形成逆尾。如果掠日彗星核中含有逆尾物质，肯定是形成逆尾最有利的一类。但逆尾在近日时，完全可能鱼贯而入撞击日面，被太阳所“食”，引起太阳活动。
6、存在问题及深入研究的说明
通过上面分析可知，关于彗尾形态变化，仍待深入研究。就普遍规律而言，彗尾形态变化除跟彗星运动轨道要素有关外，至少还受到两个因素影响。一是彗核的物质组成，二是行星际空间的性质。第一个问题是显而易见的，含“雪”比例高、轨道有利的彗星，产生Ⅰ型尾的可能性大。相比较Ⅱ型尾的彗星含“雪”比例较小，Ⅲ型尾含“雪”最少。根本无“雪”的天体，即使轨道有利，也不可能是彗星，只能是小行星。第二个因素实质上是彗星与空间的物理和化学作用。这方面的认识几乎是空白，缺乏观测资料，更谈不上理论。目前，首先应确定两者的物质交换和互补是否存在的问题。彗星在近日轨道段上运动，这种关系似乎是明显的，主要以彗星补给空间为主。但彗星在远日轨道段上运动，这种关系就不清楚了，不排除空间为彗星补充物质的可能。如是这样，彗星的形成、演化将变得十分复杂。
关于彗尾长度计算和彗星近日物质丢失问题，除产生机制外，前面的阐述是不够全面和深入的。文中对彗尾成因的定性分析是基本可靠的，但对彗尾长度变化的定量分析不一定可靠，甚至可能包含着错误。如严格论证，质点A或质点B，只要离开彗核后，绕日轨道与彗核不同，运动周期也绝对不相等，把它们看作相等显然是不合理的。另外，彗尾长度和彗星物质消耗均受到多种因素影响，由于缺乏观测资料验证，无法深入讨论。初步分析认为，彗尾长度计算，可能用功能原理更为合理。由轨道极径差计算尾长，受到生尾距、彗星质量、空间性质和彗尾单元密度等多种因素影响。目前这些因素缺乏可靠的观测证据，无论用什么方法求尾长，误差都可能较大。彗星物质丢失是彗尾（含逆尾）运动不同步（指同一时刻他们的极角不同）引起的。逆尾因靠太阳近而超前（相对于彗核运动方向）彗核运动，正常尾因离太阳远而滞后彗核运动，这也是彗尾弯曲的原因。严格讲，凡离开彗发的物质就很难返回到彗星上了。彗尾是彗星加速运动产生的，在减速运动阶段，逆尾质点先回到轨道周围，正常尾质点后回到轨道周围，这种不同步使质点同彗核之间的距离越拉越大。脱离彗核后，这些质点各自沿独立的轨道绕日运动，距太阳较远时，“隐身”于茫茫宇宙之中。当地球穿过彗尾物逸撒区时，就会发生流星雨或陨石雨。彗星再次归来时，它遗下的隐物质是否会再成为彗尾的一部分？现在尚不知道。长周期彗星，隐物质再回到彗核周围的可能性很小。这就是说，长周期彗星每绕日一周就会损失一部分物质，如果运动中没有足够的物质源补充，必定是短命的。遗骸可能演变为流星、陨石、陨铁或小行星。只有离核不远的质点，受彗核引力控制，在以太浮力减小时，才可能逐渐回到彗核上凝华。
自然界既是普遍联系着的全部客观事物的总和，又是辨证统一的综合体系。事物之间的链接和相互依赖，决定了解释它的学说或理论都必须经受已知的全部客观存在的检验，决定了科学理论的完美和统一。彗尾成因的以太浮力理论，基本合理解释了彗星的全部观测事实，纠正了太阳风学说的偏差，验证了以太浮力的存在。但以太浮力学说能否最后成立？仍有待于从自然科学的各个方面进行验证。而对彗星这种特殊天体的深入研究，不但需要提高观测技术，增加探测数据，更需要以太理论、空间理论的进一步突破。
主要参考文献和深入理解阅读的部分文献：
1、《以太浮力论》 段灿光著 本文集
2、《再论以太浮力 —— 关于万有引力变化的讨论》 段灿光著
本文集
3、《介质浮力存在的普遍性》 段灿光著 本文集
4、《没有太阳辐射，大气将静止吗？》 段灿光著 本文集
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7、《彗星漫谈》 徐登里编著 32K、P107 1975年7月科学出版社
8、《中国大百科全书·天文学》 主编：张钰哲 1980年12月中国大百科全书出版社
9、《中国百科年鉴·1986》 1986年10月中国大百科全书出版社
10、《中国百科年鉴·1987》 1987年12月中国大百科全书出版社
11、《天体力学浅谈》 [苏]尤·阿·里五波夫著，李五行、陈晓中译
32K、P201
1984年11月科学普及出版社
12、《数学在天文学中的运用》 刘步林编著 32K、P316 1979年9月科学出版社
13、《哈雷彗星及彗星-地球关系》 天地生综合研究论文集
胡中为、阎林山 16K、P471
1989年11月中国科学技术出版社
14、《地学基本数据手册》 主编：张家诚，副主编：李文范 16K、P1377
1986年3月海洋出版社
15、《简明天文学词典》 叶叔华主编 32K、P880 1986年12月上海辞书出版社
16、1997年12月19日 《中国科学报》
17、1995年6月21日 《中国青年报》
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