Движение и строение комет как космических тел

Содержание

Введение

1. Движение комет и их измерение

2. Современные модели кометного ядра

3. Масса, размеры и форма кометных ядер

4. Химический состав ядер комет

5. Сублимация вещества с поверхности кометы

6. Кометы и метеорные дожди

Заключение

Список литературы

Введение

Кометы являются самыми эффективными небесными телами в Солнечной системе. Кометы - это своеобразные космические айсберги, состоящие из замороженных газов, сложного химического состава, водяного льда и тугоплавкого минерального вещества в виде пыли и более крупных фрагментов. Кометы относятся к группе малых тел, куда входят также астероиды, метеориты, метеорные рои и облака межпланетной пыли. Хотя кометы подобно астероидам движутся вокруг Солнца по коническим кривым, внешне они разительно отличаются от астероидов. Если астероиды светят отражённым солнечным светом и в поле зрения телескопа напоминают медленно движущиеся слабые звёздочки, то кометы интенсивно рассеивают солнечный свет в некоторых наиболее характерных для комет участках спектра, и поэтому многие кометы видны невооружённым глазом, хотя диаметры их ядер редко превышают 1 - 5 км.

Вдали от Солнца каждая комета имеет вид туманного пятнышка. Но не любое туманное пятнышко является новой кометой. На небосводе, кроме звезд, часто попадаются диффузные туманные объекты - планетарные и диффузные туманности, галактики, шаровые и рассеянные звёздные скопления. Все они по внешнему виду очень напоминают кометы. Поэтому для того, чтобы приступить к систематическим обзорам неба с целью поиска новых комет нужно хорошо, с помощью звёздных атласов изучить звездное небо.

Кометы интересуют многих учёных: астрономов, физиков, химиков, биологов, газодинамиков, историков и др. И это естественно. Ведь кометы подсказали ученым, что в межпланетном пространстве дует солнечный ветер; возможно кометы являются "виновниками" возникновения жизни на Земле, так как могли занести в атмосферу Земли сложные органические соединения. Кроме того, кометы, по-видимому, несут в себе ценную информацию о начальных стадиях протопланетного облака, из которого образовались также Солнце и планеты.

Таким образом, целью данной работы является рассмотрение движения и строения комет, как космических тел.

1. Движение комет и их измерение

Большие кометы с хвостами, далеко простиравшимися по небу, наблюдались с древнейших времен. Некогда предполагалось, что кометы принадлежат к числу атмосферных явлений. Это заблуждение опроверг Браге, который обнаружил, что комета 1577 года занимала одинаковое положение среди звёзд при наблюдениях из различных пунктов, и, следовательно, отстоит от нас дальше, чем Луна.

Движение комет по небу объяснил впервые Галлей (1705г.), который нашёл, что их орбиты близки к параболам. Он определил орбиты 24 ярких комет, причём оказалось, что кометы 1531 и 1682 г.г. имеют очень сходные орбиты. Отсюда Галлей сделал вывод, что эта одна и та же комета, которая движется вокруг Солнца по очень вытянутому эллипсу с периодом около 76 лет. Галлей предсказал, что в 1758 году она должна появиться вновь и в декабре 1758 года она действительно была обнаружена. Сам Галлей не дожил до этого времени и не мог увидеть, как блестяще подтвердилось его предсказание. Эта комета (одна из самых ярких) была названа кометой Галлея.

Кометы обозначаются по фамилиям лиц, их открывших. Кроме того, вновь открытой комете присваивается предварительное обозначение по году открытия с добавлением буквы, указывающей последовательность прохождения кометы через перигелий в данном году.

Лишь небольшая часть комет, наблюдаемых ежегодно, принадлежит к числу периодических, т.е. известных по своим прежним появлениям. Большая часть комет движется по очень вытянутым эллипсам, почти параболам. Периоды обращения их точно не известны, но есть основания полагать, что они достигают многих миллионов лет. Такие кометы удаляются от Солнца на расстояния, сравнимые с межзвездными. Плоскости их почти параболических орбит не концентрируются к плоскости эклиптики и распределены в пространстве случайным образом. Прямое направление движения встречается так же часто, как и обратное.

Периодические кометы движутся по менее вытянутым эллиптическим орбитам и имеют совсем иные характеристики. Из 40 комет, наблюдавшихся более, чем 1 раз, 35 имеют орбиты, наклоненные меньше, чем на 45^ к плоскости эклиптики. Только комета Галлея имеет орбиту с наклонением, большим 90^ и, следовательно, движется в обратном направлении. Среди короткопериодических (т.е. имеющих периоды 3 - 10 лет) комет выделяется "семейство Юпитера" большая группа комет, афелии которых удалены от Солнца на такое же расстояние, как орбита Юпитера. Предполагается, что "семейство Юпитера" образовалось в результате захвата планетой комет, которые двигались ранее по более вытянутым орбитам. В зависимости от взаимного расположения Юпитера и кометы эксцентриситет кометной орбиты может, как возрастать, так и уменьшаться. В первом случае происходит увеличение периода или даже переход на гиперболическую орбиту и потеря кометы Солнечной системой, во втором - уменьшение периода.

Орбиты периодических комет подвержены очень заметным изменениям. Иногда комета проходит вблизи Земли несколько раз, а потом притяжением планет-гигантов отбрасывается на более удаленную орбиту и становится ненаблюдаемой. В других случаях, наоборот, комета, ранее никогда не наблюдавшаяся, становится видимой из-за того, что она прошла вблизи Юпитера или Сатурна и резко изменила орбиту. Кроме подобных резких изменений, известных лишь для ограниченного числа объектов, орбиты всех комет испытывают постепенные изменения.

Изменения орбит не являются единственной возможной причиной исчезновения комет. Достоверно установлено, что кометы быстро разрушаются. Яркость короткопериодических комет ослабевает со временем, а в некоторых случаях процесс разрушения наблюдался почти непосредственно. Классическим примером является комета Биэли. Она была открыта в 1772 году и наблюдалась в 1813, 1826 и 1832. г.г. В 1845 году размеры кометы оказались увеличенными, а в январе 1846г. наблюдатели с удивлением обнаружили две очень близкие кометы вместо одной. Были вычислены относительные движения обеих комет, и оказалось, что комета Биэли разделилась на две ещё около года назад, но вначале компоненты проектировались один на другой, и разделение было замечено не сразу. Комета Биэли наблюдалась ещё один раз, причём один компонент много слабее другого, и больше её найти не удалось. Зато неоднократно наблюдался метеорный поток, орбита которого совпадала с орбитой кометы Биэли.

2. Современные модели кометного ядра

По современным взглядам, кометное ядро состоит из смеси водяного льда и пыли с вмороженными легколетучими веществами и, возможно, крупными монолитными вкраплениями более плотного вещества (боулдерами). Кометное вещество очень пористое и неоднородное. Его состав и физические характеристики могут сильно меняться в зависимости от положения в ядре. Большая часть поверхности кометы покрыта пылевой коркой, толщина которой может доходить до 1 метра.

В настоящее время разработано несколько моделей кометного ядра. Наиболее известной является ледяная модель Уиппла, изложенная им в цикле работ (Whipple, 1950a, 1950b, 1951, 1953). В этой модели предполагается, что ядро кометы есть монолитный конгломерат льдов H₂O, NH₃, CH₄, CO₂ и C₂H₂, а также некоторое количество метеорного нелетучего вещества.

В модели Б.Донна (Donn, 1991) разработан кластерный механизм образования кометного ядра, в результате действия которого ядро представляет собой очень рыхлое образование, подобное гигантскому снежному кому. Эта модель во многом объясняет некоторые очень низкие оценки плотности кометного ядра, полученные из анализа движения кометы Галлея. По мнению М. Я. Марова (1994) эта модель является наиболее реалистичной.

В модели, названной П.Вейсманом (Weissman, 1986), как "изначально смерзшиеся осколки", предполагается наличие некоторого количества крупных ледяных фрагментов, смерзшихся в единое тело. В момент сближения такого ядра с Солнцем, в результате нагрева часть осколков может терять механический контакт и образовывать компактный метеорный рой. Эта модель есть развитие идей В.Г. Фесенкова (1962) и является серьезной физической основой для гипотезы В.Д.Давыдова (1981) о существовании кратных кометных ядер.

Таблица 1

Основные физические характеристики кометного ядра (минимальное, наиболее вероятное, максимальное)

Основные физические характеристики ядра кометы и его вещества, взятые из (Jessberger, Kotthaus, 1991), даны в Таблице 1. В ней приведены минимальное и максимальное значения физических характеристик ядер комет, а также наиболее вероятные значения для среднестатистической кометы.

3. Масса, размеры и форма кометных ядер

Первые оценки массы кометы были сделаны П.Лапласом (Laplace, 1805) на основании анализа движения кометы Лекселя во время ее сближения с Землей в 1770 г. до минимального расстояния 0.015 а.е. В результате сближения период кометы изменился на 2.5 дня, а период движения Земли изменился на величину значительно меньшую, чем 1 с. Была получена верхняя граница массы кометы << 10^-4 массы Земли. Позже Н. Рихтер (Richter, 1954) получает в качестве верхнего предела для массы кометы 1882 I величину 7.3*10²² г, а для массы кометы Неуймин 1 - 3.3*10¹⁷ г. Ремер (Roemer, 1966) оценила массы двух фрагметов, разделившейся кометы 1957 VI, как равные 2*10¹⁹ г и 4*10¹⁸ г, соответственно.

В 1986 г. космические аппараты "Вега-1", "Вега-2" и "Джотто" сфотографировали ядро кометы Галлея с близкого расстояния. Это дало возможность определить форму и размеры кометы. Ядро кометы оказалось удлиненной формы с размерами 15*8*7.5 км, и объемом 370+-50 км³ (Szego, 1991). Из-за отсутствия прямых определений массы кометы Галлея и некоторой неопределенности в оценке плотности кометы от 0.2 до 1 г/см³ (Strazzulla, Johnson, 1991) масса кометы оценивается в пределах 0.6*10¹⁷ г до 4.2*10¹⁷ г.

На основании фотометрических наблюдений комет Э.Ремер (Roemer, 1966), Л.Кресак (Kresak, 1973) и Ф.Уиппл (Whipple, 1978) вычислили средние значения радиусов для короткопериодических и долгопериодических комет. Данные приведены в Таблице 2. Здесь N - количество комет, на основании которых было вычислено среднее значение радиуса, R - среднее значение радиуса, R_min и R_max- минимальное и максимальное значения радиуса кометы. Указывается также автор приведенной оценки и классификация комет по периодам.

Таблица 2

Радиусы комет

Б.Донн и Дж.Рейх (Donn, Rahe, 1982) дают формулу, связывающую размеры ядра кометы с ее звездной величиной и альбедо:

где m - звездная величина кометы, r и D - гелиоцентрическое и геоцентрическое расстояния кометы в астрономических единицах, Q - угол фазы, P(Q) - функция фазы и p - альбедо поверхности. Кометные ядра, как показывают фотометрические исследования (Jewitt, Meech, 1988), имеют более вытянутую форму, чем астероиды главного пояса. Это может быть следствием различных причин: эволюции кометного ядра в поле солнечной радиации (Medvedev, 1993), особенностей образования кометного тела в протопланетном облаке, результатом разрушения родительского тела на обломки неправильной формы вследствие самозакрутки (Добровольский, 1980) или в поле тяготения какой-либо планеты.

Замечательный пример возможности такого разделения продемонстрировала недавно комета Шумейкер-Леви 9 (Chapman, 1993), распавшаяся на большое число фрагментов после прохождения вблизи Юпитера. В июле 1992 года эта комета прошла на расстоянии около 100 000 км от центра Юпитера, т.е. проникла внутрь предела Роша. Согласно оценкам Давыдова (1981), для тела с плотностью порядка 1 г/см³ расстояние от Юпитера, начиная с которого возможен приливной отрыв фрагментов, составляет примерно 100 000 км. В период с 16 по 22 июля все фрагменты кометы Шумейкер-Леви 9, как было предсказано заранее (Клумов и др., 1994), упали на Юпитер, вызвав значительные возмущения в его атмосфере. Так пятно, образовавшееся на диске Юпитера в результате падения фрагмента G (все фрагменты кометы были обозначены буквами английского алфавита), уже через 1 час 45 мин. достигло 9 тысяч км в диаметре (1.5 диаметра Земли). Оценки размера ядра материнского тела, сделанные на основании анализа движения отдельных фрагментов, лежат в диапазоне 1.4-10 км (Chernetenko and Medvedev, 1994). Общее количество энергии, выделившееся при падении осколков кометы, по оценкам различных авторов (Asphaug and Takata, 1994; Asphaug and Benz, 1994), находится в диапазоне 10²⁸-10³⁰ эрг или 10-10 мегатонн тротилового эквивалента.

Различным аспектам исследования движения, состава, размера, происхождения и обстоятельств падения на Юпитер кометы Шумейкер-Леви 9 (Ш-Л 9) посвящено большое число работ. Отметим только некоторые из них.

Интересны результаты исследования разделения кометного ядра при тесном сближении с Юпитером, изложенные в работах (Asphaug and Benz, 1994). Предполагается, что кометное ядро, согласно одной из моделей, является конгломератом гранул, "грудой камней" ('rubble pile'). Результаты численного моделирования показывают, что тесное сближение с Юпитером приводит к разделению такого ядра не на несколько крупных фрагментов, а на отдельные гранулы. Затем в этом облаке в результате действия сил притяжения между гранулами образуются крупные фрагменты, которые и были обнаружены наблюдателями. Длина цепочки фрагментов, их расположение, количество и яркость воспроизводятся, если родительское тело имело диаметр 1.5 км, плотность - 0.5 г см^-3 , а число гранул составляло несколько тысяч.

Большой интерес вызывает и вопрос о происхождении кометы Ш-Л 9. Точное численное интегрирование уравнений движения назад от момента открытия кометы не позволяет решить однозначно этот вопрос из-за неточности полученных параметров орбиты и значительного накопления ошибок при интегрировании на большие интервалы времени.

По-видимому, на орбиту временного спутника Юпитера комета Ш-Л 9 была захвачена. Но с какой орбиты?

В областях пространства, близких к треугольным точкам либрации Юпитера, находятся группы малых планет, называемые троянцами. Эти малые планеты имеют устойчивые орбиты. В последние десятилетия возникла идея о существовании некоторой связи между астероидами-троянцами и короткопериодическими кометами из-за спектрального сходства между астероидами D-типа, которые преобладают среди троянцев, и неактивными кометными ядрами. Так возникла идея о пополнении группы троянцев кометными ядрами, с одной стороны, и увеличении семейства комет за счет астероидов-троянцев - с другой.

Авторы работы (Marzari et al., 1995) предлагают механизм, обеспечивающий связь между троянцами и короткопериодическими кометами. Используя результаты лабораторного моделирования столкновений тел с большой скоростью, они показали, что около 20% фрагментов, образующихся в результате столкновения двух троянцев, переходят на неустойчивые орбиты. То, что такие столкновения вполне могли происходить, подтверждается наличием нескольких групп (или семейств) среди троянцев, имеющих очень близкие собственные элементы. В результате тесных сближений с Юпитером часть этих фрагментов переходит на орбиты, неотличимые от орбит комет семейства Юпитера, или становится временными спутниками Юпитера (как комета Ш-Л 9). Часть фрагментов получает орбиты, пересекающие орбиту Юпитера или приближающиеся к ней (как астероиды 944 Hidalgo, 2060 Chiron, 5145 Pholus). Оценки показывают, что из 160 известных сейчас короткопериодических комет несколько десятков могут быть результатом столкновений в группе астероидов-троянцев.

Комета Ш-Л 9 позволила найти объяснение еще одной проблемы. Когда Voyager 1 прошел через систему спутников Юпитера в январе 1979 г., им были обнаружены несколько цепочек ударных кратеров на поверхности Каллисто. Эти цепочки содержат от 4 до 25 кратеров и достигают в длину 620 км. Сначала полагали, что это вторичные кратеры, образовавшиеся в результате падения одного тела, но поиски главного кратера оказались безуспешными. Разделение кометы Ш-Л 9 привело авторов работы (Melosh, and Schenk, 1993) к мысли о том, что падение ранее разделившихся комет могло быть ответственно, по крайней мере, за некоторые образования на Каллисто. В поддержку этого предположения служит и тот факт, что почти все (70 %) цепочки кратеров на Каллисто находятся на обращенной к Юпитеру полусфере, так же как и три цепочки, обнаруженные на Ганимеде. Меньшее число цепочек кратеров на Ганимеде может быть объяснено его более молодой поверхностью. На Ганимеде цепочки в среднем короче, чем на Каллисто, и это можно объяснить тем, что Ганимед находится ближе к Юпитеру. Авторами выполнено численное моделирование приливного разрыва и движения фрагментов до их столкновения со спутниками Юпитера, в зависимости от нескольких параметров: начального размера кометы, минимального расстояния от Юпитера и начальной скорости удаления от Юпитера. Оказалось, что родительские кометы были не более чем 10 км в диаметре. Приблизительная оценка общего числа разделившихся комет показывает, что средняя частота таких событий составляет примерно одно событие за 80 лет. Эта оценка совпадает с наблюдениями разделений кометы Брукса 2 в 1886 г. и Ш-Л 9 в 1993 г.

4. Химический состав ядер комет

Уже первые спектроскопические наблюдения показали, что спектры комет состоят из непрерывного фона и эмиссионных молекулярных полос. Непрерывный спектр наблюдается главным образом в центральной части головы кометы и в пылевых хвостах. Непрерывный спектр обусловлен рассеянием солнечного света частицами кометы на поверхности ядра и в ее атмосфере.

Среди молекулярных эмиссий в голове кометы были отождествлены полосы C₂, CH, CN, OH, NH, NH₂ и OH⁺ , в хвосте - CO⁺, CO²⁺, N₂ (Swings, Haser, 1956). Во многих случаях исследователи также отождествляют полосы в спектрах комет с полосами NO, O₂ O⁺₂ и др. Кроме того, предполагается наличие в голове кометы большого количества атомарного водорода, спектрально не наблюдаемого. Все молекулы кометных атмосфер принадлежат к свободным радикалам и появляются в результате диссоциации и ионизации некоторых первичных, или "материнских" молекул. Всесторонний анализ спектральных данных, выполненный Фаулером (Fowler, 1910a, 1910b), Бальде (Baldet, 1926), Аделем (Adel, 1937), Свингсом (Swings, 1943), Арпиньи (Arpingy, 1965) и многими другими, постепенно сформировал список родительских молекул: H₂O, CO₂, CH₄, NH₃, C₂H₂.

В дальнейшем этот список постоянно дополнялся. Так, в качестве источников амина и имина Дельзем (Delsemme, 1982) предлагает гидроксиламин NH₂OH, формамид NH₂ COH, мочевину CO(NH₂)₂ и глицин NH₂ CH₂ COOH. Отождествлены некоторые металлы: железо Fe, хром Cr, марганец Mn, никель Ni, кобальт Co и ряд других металлов. Достаточно сложный вопрос, который остается неразрешенным по настоящее время, - наличие натрия Na в ядре кометы.

В работе Дельзема (Delsemme, 1982) указывается процентный химический состав ядра кометы, который представлен в таблице 3. В ней приведены следующие данные: химический элемент, его атомный вес, m, процентное содержание элемента в комете по количеству атомов и по массе.

Таблица 3

Химический состав ядра

5. Сублимация вещества с поверхности кометы

Процесс сублимации вещества играет большую роль как физике, так и в динамике комет. В результате сублимации вещества возникает достаточно плотная газовая и пылевая атмосфера (кома) кометы. Сублимация также вызывает реактивное давление на поверхность ядра и, вследствие этого, изменение орбиты и вращения ядра, определяет температуру кометы.

В зависимости от химического состава сублимируемого вещества устанавливается равновесная температура и величина потока сублиманта. В таблице 4 приведены газопроизводительность кометы для различных веществ, определяющих процесс сублимации.

Таблица 4

Газопроизводительность кометы для различных веществ

Здесь Z_а - число молекул, сублимирующихся с единичной площадки, находящейся в подсолнечной точке (местное зенитное расстояние Солнца равно 0°) в единицу времени; T_а - равновесная температура для не вращающегося ядра; T₁ - средняя эффективная температура для вращающегося ядра; r₀ - расстояние, на котором процесс сублимации для данного вещества прекращается.

Кома (атмосфера) кометы образуется, как отмечалось выше, в результате сублимации вещества с поверхности кометы. Спектроскопическими методами в коме комет обнаружены атомы: H, O, C, S, Na, K, Ca, V, Mn, Fe, Co, N, Cu; двухатомные молекулы: C₂ , CH, CN, CO, CS, NH, OH, S₂; трехатомные молекулы: H₃, C₃, NH₃, HCN, HCO, H₂O; многоатомные молекулы: NH₃, CH₃CH, ионы: С⁺, Са⁺, СО⁺, N⁺₂, H₂O⁺, H₂S⁺, OH⁺. По данным, полученным с борта Джотто, был определен и процентный состав газовой компоненты комы: 80% - водяной пар (H₂O); 10-12% - окись углерода (CO); 2% - метан (СН₄); 1.5% - углекислый газ (СО₂); 1-2% - аммиак (NH₃); 1-2% - формальдегид (H₂CO). Было также определено, что газопроизводительность кометы Галлея равна: 18 т/с , а пылепроизводительность 20 т/с (Reinhard, 1986).

6. Кометы и метеорные дожди

Каждая из комет, быть может, кроме новых, должна иметь пылевой шлейф, состоящий из относительно крупных, до 0.05 см в диаметре, пылевых частиц, движущихся приблизительно по той же орбите, что и комета и распределенных вдоль всей ее орбиты. При встрече Земли с подобным пылевым шлейфом частицы пыли влетают в атмосферу Земли с огромными скоростями, достигающими нескольких десятков километров в секунду, и становятся видимыми из-за сильного нагрева и сгорания. Наблюдается так называемый метеорный дождь. В таблице 5 приведены данные о метеорных потоках, пересекающих орбиту Земли. В ней приведены название, временной интервал, на котором данный поток наблюдается, среднее число метеоров в потоке, которое может быть зафиксировано за один час при условии, если метеорный поток будет в зените и отсутствует лунный свет, а также средняя скорость метеора (в км/с).

Таблица 5

Метеорные потоки, пересекающие орбиту Земли

Не случайно, что практически все известные метеорные потоки, пересекающие орбиту Земли, по мнению многих авторов, связаны генетически с кометами.

Заключение

В результате проделанной работы были рассмотрены особенности движения и строения комет.

Таким образом, кометы являются небесными телами, представляющими опасность для Земли в двух отношениях.

Во-первых, возможно падение ядра кометы на Землю, образование кратера и возникновение других последствий ударного столкновения с крупной космической массой. Возможен взрыв кометоподобного тела в атмосфере, также способный вызвать опустошение на значительной территории.

Во-вторых, возможно прохождение Земли через пылевой шлейф кометы. Непосредственно для Земли такое прохождение не опасно, так как фрагменты твердого вещества, падающие на Землю, малы. Но оно представляет определенную опасность для космических аппаратов в околоземном пространстве, так как возможна эрозия поверхности этих аппаратов, а также оптических поверхностей в результате столкновения с частицами пыли.

Кроме этого, есть кометы, потенциально несущие угрозу Земле. Это кометы, орбиты которых имеют минимальное расстояние до орбиты Земли, меньшее чем 0.01 а.е.

Многие кометные загадки, такие, как истинная химическая природа родительских молекул, из которых состоит ядро, физическое строение ядра и, естественно, проблема происхождения комет, смогут проясниться только при посылке космического зонда к ядру кометы.

Сближение космического аппарата с ядром кометы позволит детально изучить физические и геометрические параметры ядра, что недостижимо для наземной аппаратуры ни в настоящее время, ни в ближайшем будущем.

Список литературы

1. Дубнищева Т.Я. Концепции Современного естествознания. Основной курс в вопросах и ответах - Новосибирск: Сибирское университетское издательство, 2003.

2. Небел Б. Наука об окружающем мире. Как устроен мир. - М.: Мир, 2003.

3. Пахустов Б.К. Концепции современного естествознания: УМК. - Новосибирск: СибАГС, 2004.

4. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. - М.: Феникс, 2003.

5. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. - М.: Гардарика, 2002.