2019年10月11日0点左右,疑似一颗陨石坠落,多位吉林网友目击到其坠落时产生的火花,黑夜映照成白天一样。很多长春的网友们表示自己还没来得及许愿。其实一般到了年底,能观测到的流星雨还有很多,比如10月下旬的猎户座流星雨,11月份的狮子座流星雨,以及12月份的双子座流星雨等等。大家在观赏这些流星雨的时候有没有想过,流星为什么会发热发光呢?
很多人可能以为,流星的光是由于陨石进入大气层和大气层的空气摩擦生热而引起的,其实这样说在很大程度上是不对的。因为事实上,陨石在进入大气层后所产生的热量大部分都是由于空气的压缩而产生的,摩擦空气产生的热量只是很小的一部分。陨石压缩空气产生的热量最终使陨石燃烧发光,形成昙花一现的流星,大多数陨石最终也在高温下燃烧殆尽。
这其实和能量守恒定律有关系。
当陨石进入大气层时,速度是非常快的(通常是几十千米每秒),这时陨石前部的空气无法快速地被“挤到”陨石周围,因此会被迅速压缩。根据能量守恒定律,对气体压缩所做的功会转为气体的内能,进而表现为气体温度的升高。这种现象在日常生活中很常见,例如我们用打气筒给轮胎打气,由于我们在压缩气体做功,打气筒内的空气温度会升高,因而打气筒会发热。
由于陨石前部的空气被压缩的非常厉害,因此温度也会升的非常高,通常会在2000摄氏度左右,在这么高的温度下,大多数陨石都会被烧毁,地球上的生命也因此得到了有效的保护。
对于各种人造航天器(包括人造卫星,载人飞船,甚至是空间站等)返回大气层时发光发热,原理和陨石其实是相近的,它们的压缩空气的效率甚至比陨石还高。这里我们就用载人飞船的返回舱来举例说明。
载人飞船返回舱的形状一般都是上小下大,并且下面是一个很钝的平面。这样的钝形平面能保证被压缩的空气产生的热量主要集中于航天器钝形一面,而不会流失到航天器后面,从而有效的保护后面的航天员或者其他科学设备。因此,现在任何的载人航天器的返回舱都被设计成钝形的。
可能有的同学会问,为什么航天器在离开地球时不会发热?
原理其实很简单,因为各种航天器(包括载人飞船,空间站,卫星等等)离开地球时都是通过火箭来运载的,火箭的形状是流线型的,很容易“挤开”前进方向的空气,而摩擦产生的热量相对来说又很小,因此火箭在离开地球时并不会经历很高的温度考验。当然,我们也可以用火箭来对返回地球的返回舱进行减速,但是那样就意味着双倍的燃料,这不但增加了发射的费用,而且会严重降低火箭的有效负荷,是一项费力不讨好的举措。
况且,大自然已经给我们提供了——大气层——这么好的免费的“刹车器”,为什么不去用呢?