彗星破碎与雅科夫斯基效应——它们之间没关系
最近一颗编号为C/2019 Y4的彗星比较火——其实每年都会有几颗彗星比较火，因为彗星是为数不多肉眼可见的、可能发生剧烈变化的天体，“看热闹不嫌事大”的人类总希望能看到彗星在近日点附近展开壮观的彗尾、其亮度因表面物质喷发而大大提升（历史上曾有大彗星“白日可见”）。同时，自太阳系边缘处远道而来的彗星，带给人们一窥冷暗深空以及太阳系远古历史的机会，稳重的天文学家们也不免打起小算盘，希望彗星能够“配合”一下，爆个大新闻。所以，只要有彗星的轨道能够比较靠近太阳，天文学家和公众就会一样激动，盼望着它能在近日点附近好好表现，C/2019 Y4就是这样一颗被寄予厚望的彗星。
可惜，这颗彗星还是不太配合——它最近分解破裂了。彗星是所谓“脏雪球”，结构松散、强度不高，破裂解体是常发生的事。引起一个小天体破裂的原因，无非以下几种：1.与其他天体碰撞；2.进入大天体洛希限而被引潮力撕碎；3.内部出现爆发而炸开；4.自转太快以至于其离心力超过自身的引力和结构强度而散落四方。这里我们只说说这第4种可能的原因。
要使得第4种情况发生，即彗星由完整的星体而分解破裂，它的自转就必须能够在最近被加速。对彗星而言，这并不是难事。逐渐接近太阳的彗星表面温度升高，彗星所携带的冰雪物质开始挥发，喷薄而出的挥发性气体同时带出尘埃颗粒，形成了彗发和彗尾，而这些喷发在彗星表面形成了若干“喷气引擎”，喷发的位置和方向随机分布，就有可能产生非常可观的力矩，在很短的时间内加速彗星自转，引起彗星破裂。这是接近太阳的彗星发生解体最可能的原因。
我们注意到有科普视频提到“雅科夫斯基效应”加速了彗星的自转，导致彗星破裂。“雅科夫斯基效应”，这么高大上的名字，一看就觉得很有道理的样子。然而，这是不对的。先说结论：雅科夫斯基效应不能加速彗星自转；与雅科夫斯基效应相关的另一种效应叫做YORP效应的，倒确实可以加速彗星自转，但这个效应加速自转的时间非常漫长（不妨先来个百万年量级），它也不能解释C/2019 Y4这颗彗星最近的分解破裂。
写了这么长一个开头，这篇文章却只想介绍一下什么是高大上的“雅科夫斯基效应”。这个效应很有趣，很精巧的物理过程在自然环境下发生；这个效应也很重要，造就了小天体在太阳系的分布现状，也是驱使几乎所有近地小天体（对，就是每年若干次引得媒体大惊小怪、大呼小叫的近距离飞掠地球的天外来客们）来到地球附近的“罪魁祸首”。
---------一本正经的分割线---------
小天体受到太阳辐射而得到能量，这些能量会以热辐射的形式再散发到空间中，以使小天体达到热平衡状态。热辐射的强度与小天体表面温度的四次方成正比（斯特凡-波尔兹曼定律），所以热辐射在温度最高的方向上最强，而温度最低的方向上最弱。
很显然地，小天体向阳的一面温度高，背阴的一面温度低。由于小天体的自转以及热量在小天体内部传导引起的弛豫，温度最高的那一点往往并不是太阳正下方的点（“日下点”）——正如地球上最热的时间并不是正午（处于日下点），而是午后的2:00左右（如配图中所示，红色表示高温、蓝色表示低温）。如此一来，小天体上温度最低和最高的两点连成的线（图中虚线）并不指向太阳。这条线偏离太阳方向的程度（图中夹角A的大小），和小天体的自转（图中绿色带箭头弧线指示）速度有关、和热量在天体内部传导的过程有关、甚至和天体的具体形状有关。小天体自转越快、热量传导得越慢，这个角度A就越大。
热辐射以发射光子（主要是红外波段）的形式实现，发射的光子除了带走能量之外，还具有动量，它们所带走的动量在小天体上形成了反作用力——指向辐射的相反方向。如图中所示，温度高的一面辐射强，带走的动量更多（大空心箭头表示）、温度低的一面辐射弱，带走的动量更少（小空心箭头）。相应地，它们产生的反作用力也是前者更大而后者更小。这样一来，图中这个小天体受到的净的反作用力就沿着虚线方向指向右上方（如实心彩色箭头所示）。这就是【雅科夫斯基效应】。
在我们的示意图上，还用黑色带箭头的弧线画出了天体绕太阳公转的轨道。天体沿轨道运动时，它的速度方向就是轨道的切线方向。很重要的事情发生了——作用于小天体的反作用力的方向，与小天体的速度方向并不相互垂直！
当力的方向与速度方向垂直时，这个力就不会做功、不会改变被作用物体的机械能——正如地球引力并不会改变沿地球表面水平运动的物体的能量。当力的方向不垂直于速度方向时，或者换个说法，当力在速度方向的分量不为零时，这个力就会对被作用物体做功，改变该物体的机械能。如图中所示，这个反作用力沿着速度方向的分量就会对该天体做功、增加该天体的机械能。而天体的机械能增加，则意味着它的轨道会变大，它会离太阳越来越远。
如果我们面对的是一个同步自转的天体——自转周期和公转周期相同，公转一周的同时也自转一周，月球绕地球就是同步自转——它将永远以同一面朝向太阳，也就是它的日下点在其表面是一个固定的点，那么上述热辐射的反作用力将永远沿着太阳与它连线的方向（背向太阳）。这个力的作用就等价于它与太阳之间的引力减小了那么一点点（可以假定是该天体的质量减小了一点点），这个力不会对该天体的运动造成任何影响，因为力总是与速度垂直。
如果我们面对的是一个以相反方向自转的天体，温度最高的点将会出现在示意图中与太阳连线的另外一边。此时，净辐射的反作用力，在速度方向的分量将与速度的方向相反，反作用力做的功将使得天体的总机械能减少——天体的轨道将变小，它将向太阳的方向移动。
在示意图中，天体自转的方向和公转的方向是相同的，叫做顺向自转；我们刚刚讲的情形，自转的方向与公转的方向相反，则叫做逆向自转。简单总结一下：【雅科夫斯基效应】使得顺向自转的天体轨道变大，驱动它们远离太阳；对逆向自转的天体，【雅科夫斯基效应】则使其轨道变小，驱动它们奔向太阳。
这里我们假定了天体的形状是简单的球形，考虑到对称性，这个反作用力自然会通过该天体的中心（球心），因而它不会影响该天体的自转状态。对于宇宙中的小天体，球形假设当然不是精确的模型，但大体也差不太多。
如果考虑到小天体的真实形状，这种因各向异性的热辐射的反作用力而引起的效应还有可能影响小天体的自转状态，这种效应被称为YORP（Yarkovsky–O'Keefe–Radzievskii–Paddack effect）效应。这篇文章已经太长，而YORP效应也很重要，值得专文讲述。
最后，雅科夫斯基效应也好、YORP效应也好，都基于热辐射的反作用力，这是非常微小的作用力，只有在很长的时间内才能显示出可观的效应。而“很长的时间”，对于宇宙而言，根本不算一回事儿！
最近一颗编号为C/2019 Y4的彗星比较火——其实每年都会有几颗彗星比较火，因为彗星是为数不多肉眼可见的、可能发生剧烈变化的天体，“看热闹不嫌事大”的人类总希望能看到彗星在近日点附近展开壮观的彗尾、其亮度因表面物质喷发而大大提升（历史上曾有大彗星“白日可见”）。同时，自太阳系边缘处远道而来的彗星，带给人们一窥冷暗深空以及太阳系远古历史的机会，稳重的天文学家们也不免打起小算盘，希望彗星能够“配合”一下，爆个大新闻。所以，只要有彗星的轨道能够比较靠近太阳，天文学家和公众就会一样激动，盼望着它能在近日点附近好好表现，C/2019 Y4就是这样一颗被寄予厚望的彗星。
可惜，这颗彗星还是不太配合——它最近分解破裂了。彗星是所谓“脏雪球”，结构松散、强度不高，破裂解体是常发生的事。引起一个小天体破裂的原因，无非以下几种：1.与其他天体碰撞；2.进入大天体洛希限而被引潮力撕碎；3.内部出现爆发而炸开；4.自转太快以至于其离心力超过自身的引力和结构强度而散落四方。这里我们只说说这第4种可能的原因。
要使得第4种情况发生，即彗星由完整的星体而分解破裂，它的自转就必须能够在最近被加速。对彗星而言，这并不是难事。逐渐接近太阳的彗星表面温度升高，彗星所携带的冰雪物质开始挥发，喷薄而出的挥发性气体同时带出尘埃颗粒，形成了彗发和彗尾，而这些喷发在彗星表面形成了若干“喷气引擎”，喷发的位置和方向随机分布，就有可能产生非常可观的力矩，在很短的时间内加速彗星自转，引起彗星破裂。这是接近太阳的彗星发生解体最可能的原因。
我们注意到有科普视频提到“雅科夫斯基效应”加速了彗星的自转，导致彗星破裂。“雅科夫斯基效应”，这么高大上的名字，一看就觉得很有道理的样子。然而，这是不对的。先说结论：雅科夫斯基效应不能加速彗星自转；与雅科夫斯基效应相关的另一种效应叫做YORP效应的，倒确实可以加速彗星自转，但这个效应加速自转的时间非常漫长（不妨先来个百万年量级），它也不能解释C/2019 Y4这颗彗星最近的分解破裂。
写了这么长一个开头，这篇文章却只想介绍一下什么是高大上的“雅科夫斯基效应”。这个效应很有趣，很精巧的物理过程在自然环境下发生；这个效应也很重要，造就了小天体在太阳系的分布现状，也是驱使几乎所有近地小天体（对，就是每年若干次引得媒体大惊小怪、大呼小叫的近距离飞掠地球的天外来客们）来到地球附近的“罪魁祸首”。
---------一本正经的分割线---------
小天体受到太阳辐射而得到能量，这些能量会以热辐射的形式再散发到空间中，以使小天体达到热平衡状态。热辐射的强度与小天体表面温度的四次方成正比（斯特凡-波尔兹曼定律），所以热辐射在温度最高的方向上最强，而温度最低的方向上最弱。
很显然地，小天体向阳的一面温度高，背阴的一面温度低。由于小天体的自转以及热量在小天体内部传导引起的弛豫，温度最高的那一点往往并不是太阳正下方的点（“日下点”）——正如地球上最热的时间并不是正午（处于日下点），而是午后的2:00左右（如配图中所示，红色表示高温、蓝色表示低温）。如此一来，小天体上温度最低和最高的两点连成的线（图中虚线）并不指向太阳。这条线偏离太阳方向的程度（图中夹角A的大小），和小天体的自转（图中绿色带箭头弧线指示）速度有关、和热量在天体内部传导的过程有关、甚至和天体的具体形状有关。小天体自转越快、热量传导得越慢，这个角度A就越大。
热辐射以发射光子（主要是红外波段）的形式实现，发射的光子除了带走能量之外，还具有动量，它们所带走的动量在小天体上形成了反作用力——指向辐射的相反方向。如图中所示，温度高的一面辐射强，带走的动量更多（大空心箭头表示）、温度低的一面辐射弱，带走的动量更少（小空心箭头）。相应地，它们产生的反作用力也是前者更大而后者更小。这样一来，图中这个小天体受到的净的反作用力就沿着虚线方向指向右上方（如实心彩色箭头所示）。这就是【雅科夫斯基效应】。
在我们的示意图上，还用黑色带箭头的弧线画出了天体绕太阳公转的轨道。天体沿轨道运动时，它的速度方向就是轨道的切线方向。很重要的事情发生了——作用于小天体的反作用力的方向，与小天体的速度方向并不相互垂直！
当力的方向与速度方向垂直时，这个力就不会做功、不会改变被作用物体的机械能——正如地球引力并不会改变沿地球表面水平运动的物体的能量。当力的方向不垂直于速度方向时，或者换个说法，当力在速度方向的分量不为零时，这个力就会对被作用物体做功，改变该物体的机械能。如图中所示，这个反作用力沿着速度方向的分量就会对该天体做功、增加该天体的机械能。而天体的机械能增加，则意味着它的轨道会变大，它会离太阳越来越远。
如果我们面对的是一个同步自转的天体——自转周期和公转周期相同，公转一周的同时也自转一周，月球绕地球就是同步自转——它将永远以同一面朝向太阳，也就是它的日下点在其表面是一个固定的点，那么上述热辐射的反作用力将永远沿着太阳与它连线的方向（背向太阳）。这个力的作用就等价于它与太阳之间的引力减小了那么一点点（可以假定是该天体的质量减小了一点点），这个力不会对该天体的运动造成任何影响，因为力总是与速度垂直。
如果我们面对的是一个以相反方向自转的天体，温度最高的点将会出现在示意图中与太阳连线的另外一边。此时，净辐射的反作用力，在速度方向的分量将与速度的方向相反，反作用力做的功将使得天体的总机械能减少——天体的轨道将变小，它将向太阳的方向移动。
在示意图中，天体自转的方向和公转的方向是相同的，叫做顺向自转；我们刚刚讲的情形，自转的方向与公转的方向相反，则叫做逆向自转。简单总结一下：【雅科夫斯基效应】使得顺向自转的天体轨道变大，驱动它们远离太阳；对逆向自转的天体，【雅科夫斯基效应】则使其轨道变小，驱动它们奔向太阳。
这里我们假定了天体的形状是简单的球形，考虑到对称性，这个反作用力自然会通过该天体的中心（球心），因而它不会影响该天体的自转状态。对于宇宙中的小天体，球形假设当然不是精确的模型，但大体也差不太多。
如果考虑到小天体的真实形状，这种因各向异性的热辐射的反作用力而引起的效应还有可能影响小天体的自转状态，这种效应被称为YORP（Yarkovsky–O'Keefe–Radzievskii–Paddack effect）效应。这篇文章已经太长，而YORP效应也很重要，值得专文讲述。
最后，雅科夫斯基效应也好、YORP效应也好，都基于热辐射的反作用力，这是非常微小的作用力，只有在很长的时间内才能显示出可观的效应。而“很长的时间”，对于宇宙而言，根本不算一回事儿！
#CCTV# #国家记忆# 1988年7月25日，中国人民解放军终于拥有了属于自己的铿锵旋律。
向前，向前，向前！
向前，向前，向前！
我们的队伍向太阳，
脚踏着祖国的大地。
背负着民族的希望，
我们是一支不可战胜的力量！
想知道军歌是怎么确立的吗？
敬请收看今晚（10月20日）20:00 CCTV-4《国家记忆》之《中国人民解放军进行曲》！
向前，向前，向前！
向前，向前，向前！
我们的队伍向太阳，
脚踏着祖国的大地。
背负着民族的希望，
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【朵朵花儿向太阳 颗颗童心永向党】10月12日，四川省宣汉县希望小学隆重集会举行“红领巾心向党——歌颂祖国，喜迎十九大主题队会暨新队员入队仪式”活动。团市委副书记邓磊、学少部部长童河文，团县委书记朱济君，市教育局基教科科长、达州市少先队总辅导员饶乙琳，达州职业技术学院、市教科所、市特教校、达州中学、县政法委、县文明办等相关市县领导莅临希望小学，共同见证山区孩子加入少先队这一特别的时刻！https://t.cn/ROEGPI9
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