Современные методы исследования метеоров

Наблюдения метеоров можно производить просто глазом (или, как говорят, визуально), при помощи фотографирования и с применением радиоаппаратуры.

Визуальные способы наблюдения метеоров невооружённым глазом были единственным надёжным методом метеорной астрономии в течение XIX и начала XX столетий и до сих пор не утратили своего значения. В безлунную ясную ночь наблюдатель может заметить метеоры 5-й и даже 6-й звёздной величины, имеющие такую же яркость, как и наиболее слабые звёзды, видимые невооружённым глазом^*). В среднем можно заметить в такую ночь в течение одного часа наблюдений около 10 метеоров. Невооружённым глазом регистрируются большей частью метеоры 1-4-й звёздной величины. Более яркие метеоры появляются сравнительно редко, а из значительного числа более слабых метеоров глаз замечает лишь немногие.

Рис. 2. Пути метеоров, нанесённые на звёзднуюкарту. Наблюдения метеорного дождя Драконид 9 октября 1933 г. Радиант Драконид обозначен кружком.

Видимая траектория метеора среди звёзд может быть приближённо нанесена на звёздную карту. Продолжая назад пути метеоров, нанесённых на звёздную карту, можно обнаружить небольшие площадки, из которых расходятся траектории метеоров (рис. 2). Эти метеоры принадлежат к одному и тому же потоку и двигаются по взаимно параллельным путям в межпланетном пространстве. Такие площадки, имеющие диаметр около нескольких градусов, называются радиантами метеорных потоков. Определение видимого положения радиантов на небе необходимо для изучения движения метеорных тел в Солнечной системе и составляет одну из наиболее важных задач визуальных наблюдений метеоров. Кроме определения радиантов, нанесение метеоров на звёздные карты можно использовать для определения высот метеоров по наблюдениям из двух удалённых пунктов.

Очень важно знать главные физические особенности метеоров - их яркость, цвет, скорость полёта, очерченность, наличие вспышек, следа и т. д. Большинство из этих характеристик даёт возможность косвенными способами определить скорость движения метеоров в межпланетном пространстве. Наиболее подробная программа визуального изучения физических свойств метеоров была разработана и осуществлена в течение ряда лет И.С. Астаповичем в Ашхабаде (так называемая программа-максимум).

Основными недостатками визуальных наблюдений метеоров являются их большая трудоёмкость и невысокая точность результатов. Однако внезапность появления метеоров и трудность применения к их наблюдениям инструментальных способов на долгое время оставляли визуальные наблюдения главным методом изучения метеоров. Поэтому многие сведения о метеорах и до сих пор основываются на результатах визуальных наблюдений.

Метеоры можно наблюдать также при помощи бинок|лей или светосильных короткофокусных телескопов с большим полем зрения. Это позволяет более точно определять их видимую траекторию, координаты радиантов и высоты метеоров, а также замечать более слабые метеоры, невидимые невооружённым глазом. Обычно в небольшие телескопы удаётся наблюдать метеоры до 11 - 12-й звёздной величины.

Рис. 3. Фотография метеора из двух удалённых пунктов. Совмещены снимки, сделанные в Ашхабаде и Ванновском на расстоянии 25 км. Правый снимок сделан через обтюратор.

Эффективное применение фотографии к изучению метеоров стало возможным за последние 20 лет в результате появления короткофокусных светосильных фотокамер с большим полем зрения и повышения чувствительности фотографических эмульсий. Случайные фотографии метеоров изредка попадаются на снимках неба, сделанных с другой целью. Такие фотографии также можно использовать для изучения полёта метеоров в атмосфере, однако для решения основных задач, связанных с изучением метеоров, необходима специальная организация фотографирования метеоров при помощи короткофокусных камер, которые размещаются в двух пунктах, удалённых друг от друга на 5 - 40 км. Такие двойные снимки позволяют определять высоты и скорости метеоров Объективы камер открываются на несколько часов, и на пластинках остаются следы всех достаточно ярких метеоров, пролетевших в поле зрения камер (рис. 3). Для определения скорости полёта метеоров применяется обтюратор, т. е. затвор, вращающийся перед объективом наподобие крыльев ветряной мельницы. Обтюратор, приводимый в быстрое вращение синхронным электромотором, закрывает объектив несколько десятков раз в секунду, вследствие чего следы метеоров на снимках выходят в виде прерывистых линий (рис. 3, справа). Зная длину каждого из отрезков и скорость вращения обтюратора, можно определить скорость движения метеора в пространстве.

К сожалению, эффективность фотографирования метеоров весьма невелика. Даже при употреблении высокочувствительных фотографических пластинок или плёнок приходится затрачивать от 50 до 100 часов экспозиции на одной камере для получения снимка одного метеора. Для повышения эффективности фотографирования несколько камер соединяют в один агрегат, охватывая возможно большую площадь неба. Пара подобных агрегатов, один из которых снабжается обтюратором, составляет так называемый метеорный патруль. Первый метеорный патруль в СССР был установлен в 1938 г. в Сталинабаде. Метеорные патрули установлены за рубежом в Чехословакии, на астрофизической обсерватории в Скальнате Плесо и в США, на Гарвардской обсерватории. Американский патруль в последние годы был усовершенствован за счёт резкого усиления светосилы камер. Применение зеркально-линзовых систем Шмидта со светосилой 1:0,7 и искривлённой плёнкой в фокусе позволило получать при помощи этих камер метеоры до 5-й звёздной величины, в то время как обычно удаётся фотографировать метеоры не ярче 2-й звёздной величины. Уиплу удалось в 1952-1953 гг. получить с помощью этих камер снимки ионизационных следов, остающихся после очень ярких метеоров. Для фотографирования этих следов дежурный наблюдатель быстро наводит камеру на ту область неба, где пролетел яркий метеор, и делает несколько последовательных выдержек по 2 сек. с интервалами по 10 сек. При этом камера каждый раз автоматически несколько смещается и изображения следов на снимке не накладываются друг на друга. Такие фотографии позволяют определить по дрейфу метеорных следов направление и скорость ветра в верхних слоях атмосферы, а также проследить за изменениями формы следа, определив скорость его рассеивания и затухания его свечения. Всё это позволяет судить о физическом строении верхних слоев атмосферы.

Ещё более трудным делом, чем фотографирование метеоров, является получение снимков их спектров. До настоящего времени во всём мире получено только около 120 спектров. Спектр метеора получается с помощью камеры с призмой, расположенной перед светосильным объективом. Такая призменная камера, впервые применённая полвека назад С.Н. Блажко, долгое время служила; главным инструментом для этой цели. Недавно П. Миллман в Канаде применил для спектрографирования метеоров также камеру с дифракционной решёткой, поставленной перед её объективом. Как известно, дифракционная решётка, как и призма, обладает свойством разлагать белый свет в спектр.

Обычно спектр метеора состоит из ряда отдельных линий химических элементов, входящих в состав метеора, причём каждая линия даёт изображение метеора таким, каким он казался бы, если бы состоял только из данного химического элемента. Понятно, что изображение метеора в лучах одного какого-нибудь элемента ещё слабее, чем общее его изображение на обычной фотографии. Поэтому для фотографирования спектров метеоров применяют небольшие короткофокусные светосильные камеры. При мелком масштабе спектров на снимках трудно говорить о точном распознавании всех спектральных линий. Приходится отождествлять спектральные линии по их взаимному расположению, интенсивности и т.д. целыми группами.

Наиболее мощным современным средством изучения метеоров бесспорно является радиолокация. Развитие техники радиолокации в последние годы позволило применить это средство дальновидения и для наблюдения метеоров. Теперь метеоры могут наблюдаться днём, в туман и в дождь, круглые сутки. Для наблюдений метеоров применяются обычные радиолокаторы, рассчитанные на длину волны от 4 до 12 м. Известно, что в радиолокаторе расстояние до цели, отражающей радиоволны, определяется по времени их пробега туда и обратно, поскольку скорость их распространения известна (300000 км/с).

Основной частью приёмного устройства радиолокатора является так называемая катодно-лучевая трубка, известная многим как одна из деталей телевизора. В катодно-лучевой трубке отражённые от цели радиоволны преобразуются в поток электронов - электронный луч, вызывающий на светящемся экране радиолокатора появление светлого пятна. Положение этого пятна на экране зависит от времени пробега радиоволн, т.е. в конечном счёте от расстояния до цели (рис. 4).

Рис. 4. Радиолокация метеоров. А, В, С - метеорные радиоэхо

Импульсы (сигналы), посылаемые антенной радиолокатора, распространяются преимущественно вдоль определённого направления, причём их интенсивность быстро убывает с отклонением от этого направления. Если построить диаграмму интенсивности сигналов по направлениям, то вся она будет состоять как бы из лепестков, называемых лепестками направленности антенны. Один из этих лепестков является главным. Эти лепестки вырезают на небе участки, в которых и можно таким способом регистрировать полёт метеоров.

Калибровка на экране катодно-лучевой трубки радиолокатора шкалы расстояний в километрах позволяет определить непосредственно расстояние до цели - в нашем случае до метеора. Заранее ориентировать антенну радиолокатора на метеор нельзя, так как метеоры внезапно появляются в любой области неба и полёт их продолжается доли секунды. Поэтому антенна радиолокатора устанавливается неподвижно или медленно вращается вокруг вертикальной оси, обозревая небо в различных направлениях. При этом метеоры, попадающие в поле лепестка антенны, могут дать радиоэхо.

Непосредственной причиной отражения импульса радиолокатора является столб газа, ионизованного метеором вдоль траектории его полёта. Такой столб возникает в результате взаимных столкновений частиц воздуха и метеора при его полёте сквозь атмосферу со скоростью от 10 до 70 км в секунду. Этого вполне достаточно, чтобы вызвать ионизацию, т.е. разделение молекул и атомов воздуха и метеорного тела на положительно и отрицательно заряженные электрические частицы. Диаметр столба ионизованного газа измеряется метрами и увеличивается со временем вследствие рассеивания (диффузии) газов. Его длина исчисляется десятками километров. Подобный столб ионизованного газа способен отражать радиоволны и создавать радиоэхо до тех пор, пока он не рассеется окончательно или не будет развеян стратосферными ветрами.

Чёткое радиоэхо, отражённое по перпендикуляру к траектории метеора, лучше всего получается при длине радиоволн 4-5 м. При использовании более длинных волн, особенно в диапазоне 9-12 м, картина отражения радиосигнала сильно осложняется. Отражательная способность ионизованных следов метеоров на этих волнах значительно возрастает, и побочные радиоэхо возникают не только на луче, перпендикулярном к траектории, но и на лучах, образующих с ней различные углы. Поэтому длина волны около 5 м удобнее всего при массовых радионаблюдениях метеоров. К таким наблюдениям относятся счёт метеоров, определение расстояний до метеоров и их высот, определение радиантов.

Первые две задачи решаются радиолокацией настолько просто, что это не требует специальных пояснений.

Что касается методики определения радиантов, то она основана на применении двух радиолокаторов, антенны которых направляются под прямым углом друг к другу. Отражение радиосигнала от метеора происходит по лучу, перпендикулярному к траектории метеора. Поэтому его радиант лежит по направлению, отстоящему на 90^o от направления центрального луча каждого из двух радиолокаторов.

Наличие двух радиолокаторов позволяет определить, таким образом, положение радианта на небе.

Другой способ определения радиантов пригоден для отдельных ярких метеоров, дающих отражения не только по перпендикуляру к своему пути, но и боковые. Из трёх станций, расположенных в вершинах приблизительно равностороннего треугольника со сторонами около 60 км, определяются расстояния до двух точек метеорного следа. Это даёт направление траектории, а следовательно, и радиант метеора.

Очень важное значение имеет определение скоростей метеоров при помощи радиолокации. Использование радиолокатора с длиной волны 8-10 м позволяет получить незеркальные (лежащие в стороне от перпендикулярного радиолуча) отражения от метеорного следа. Поэтому на экране радиолокатора можно проследить изменение расстояния до метеора с течением времени. При этом на экране катодно-лучевой трубки радиолокатора получается гиперболическая кривая, форма которой позволяет судить о скорости наблюдаемого метеора (рис. 5).

Рис. 5. Определение скорости метеоров при помощи радиолокации. Вверху - форма диаграммы "время - расстояние" для метеоров различной скорости. Внизу - изображение этой диаграммы на экране электронно-лучевой трубки.

Рис. 6. Дифракция радиоволн при полёте метеоров.

При полёте метеора через участок неба, вырезаемый лепестком антенны, наблюдается весьма интересное явление дифракции радиоволн, также позволяющее определить скорость полёта метеоров. В момент появления метеора на перпендикулярном луче антенны приёмник регистрирует быстро нарастающее радиоэхо. После этого начального момента радиоволны, отражённые от пролетевшего дальше метеора, будут интерферировать с центральным отражением, т.е. накладываться на него и усиливать или ослаблять это отражение в зависимости от разности фаз обоих отражений (рис. 6). А эта разность фаз, в свою очередь, определяется разностью расстояний по центральному лучу антенны и по направлению на движущийся метеор.

Так, например, если разность расстояний OB' и OP (рис. 7) составляет половину длины волны (λ/2), то электромагнитные колебания из точек B' и P будут находиться в противоположных фазах и получится ослабление радиоэха. Так будет и в случае, если разность расстояний равна нечётному числу полуволн. Если же эта разность равна чётному числу полуволн (т.е. целому числу волн), как, например, для точки D', то колебания будут приходить в той же фазе, что и по направлению и усиливать друг друга.

Рис. 7. Объяснение дифракционных явлений (зон Френеля) при полёте метеоров.
O - наблюдатель, QQ' - траектория метеора.

Скорость метеора этим методом определяется по интервалам времени между максимумами радиоэха. Поскольку длину отрезков PB', РD' и т.д. нетрудно определить, зная расстояние до метеора R и длину радиоволны λ, отсюда легко получить и скорость на всём участке пути. Дифракционный метод позволяет найти скорость метеоров с весьма большой точностью, и его удаётся применить примерно к 20% всех метеоров, регистрируемых радиолокатором.

Наконец, радиометоды позволяют установить наличие ветров в верхних слоях атмосферы и определить их направление и скорость. Вследствие перемещения метеорного следа в пространстве под действием стратосферных ветров, длина волны отражённого радиолуча уменьшается при удалении следа от наблюдателя и увеличивается при приближении совершенно аналогично повышению и понижению тона паровозного гудка при движении паровоза мимо наблюдателя. Поэтому наблюдая это изменение длины радиоволн, называемое эффектом Допплера, можно определить перемещение метеорного следа по лучу зрения.

Заканчивая обзор современных методов изучения метеоров, следует отметить их многообразие. Для полного решения ряда вопросов, относящихся к геофизической и астрономической стороне метеорных явлений, оказывается наиболее целесообразным комплексное применение различных методов исследования метеоров. При этом один из методов используется как основной, а остальные употребляются как вспомогательные при решении наиболее сложных вопросов. Наиболее важными методами изучения метеоров в настоящее время являются радиолокационный и фотографический.

*) Термином "звёздная величина" в астрономии обозначают видимую яркость (блеск) звёзд. Наиболее яркие звёзды относят к 1-й величине, наиболее слабые - к 6-й. Так же обозначается и яркость метеоров.