 |
Метеоры и другие малые тела солнечной системы
|
|
|
|
Метеоры не являются единственными малыми телами Солнечной системы. В отличие от больших тел этой системы - Солнца, планет и их крупных спутников - к малым телам Солнечной системы относятся, кроме метеоров, также малые планеты, или астероиды, и кометы. Все эти тела обладают небольшими массами, существенно отличающими их от больших планет и Солнца (рис. 25). Малые планеты, или астероиды, что по-гречески означает "звездоподобные", обращаются вокруг Солнца преимущественно в зоне между орбитами Марса и Юпитера. Они представляют собой небольшие твёрдые тела, которые, как и большие планеты, светят отражённым светом Солнца. Первый астероид был открыт итальянским астрономом Пиацци 1 января 1801 г. и назван Церерой. С тех пор число открытых астероидов увеличивалось из года в год, и в настоящее время насчитывается 1605 астероидов с известными орбитами, а общее число астероидов ярче 20-й звёздной величины составляет по оценке И.И. Путилина 140 000. Наиболее яркие астероиды в самых выгодных условиях их видимости не ярче звёзд 6-й звёздной величины, т. е. находятся на границе видимости невооружённым глазом. Наиболее слабые из недавно открытых астероидов имеют блеск около 17-й звёздной величины.
Рис. 25. Массы и размеры тел Солнечной системы. По горизонтали отложены логарифмы диаметра, а по вертикали - логарифмы массы тел в системе COS.
Только для наиболее крупных астероидов удалось выполнить непосредственное измерение диаметра. По этим измерениям Церера имеет поперечник 767 км; поперечники Паллады, Юноны и Весты равны 489, 193 и 386 км соответственно.
Размеры остальных астероидов оцениваются по их блеску. Зная расстояние от Солнца и Земли до астероидов и принимая альбедо (отражательную способность) астероидов близким к альбедо Марса, можно вычислить, какую звёздную величину должен иметь тот или иной астероид на расстоянии 1 астрономической единицы от Солнца и Земли (g), а отсюда оценить и их диаметры (d). Зависимость d от g наглядно представлена на табл. 11.
|
|
|
Таблица 11. Размеры астероидов
& л, е, а,
зв. вел. км зв. вел. км
4 581 11 23 5 367 12 15 6 231 13 9 7 146 14 6 8 92 15 4 9 58 16 2 10 37 17 1,5
Открытая в 1937 г. малая планета Гермес имеет диаметр всего около 400 м и приближается по своим размерам к крупным кратерообразующим метеоритам.
Масса астероидов быстро убывает с их блеском. Её можно оценить, зная размеры астероидов и принимая их среднюю плотность около 3 г/см3. Н.М. Штауде подсчитала, что суммарная масса всех астероидов вряд ли превосходит в семь раз массу Цереры. По оценке В.Г. Фесенкова, И.И. Путилина и других учёных общая масса всех астероидов примерно в 1000 раз меньше массы Земли, причём масса мелких, ещё не открытых астероидов, вероятно, составляет менее 4% этой суммарной массы.
Блеск многих астероидов не остаётся постоянным, а испытывает значительные и неправильные колебания. Эти колебания указывают на неправильную форму астероидов и на быстрое вращение их вокруг своей оси, вследствие чего они отражают в разных положениях различное количество солнечного света. Типичным примером астероида неправильной формы может являться Эрот, испытывающий изменения блеска до 1,5 звёздной величины. Чтобы объяснить характер колебаний блеска Эрота, необходимо предположить, что он имеет вытянутую угловатую форму, нечто вроде продолговатого кирпича, вращающегося вокруг поперечной оси.
Альбедо, т.е. отражательную способность астероидов, непосредственно можно измерить только для тех малых планет, размеры которых известны из наблюдений. Вот альбедо наиболее крупных астероидов:
|
Альбедо астероидов колеблется в весьма больших пределах и для трёх первых планет близко к альбедо Луны и тёмных каменных метеоритов. Наиболее светлая из малых планет - Веста - также подобна по своей отражательной способности некоторым метеоритам серо-белого цвета. Это даёт основание считать, что астероиды сложены из каменного материала.
Орбиты астероидов весьма разнообразны. Большинство этих тел обращается в зоне между Марсом и Юпитером по эллиптическим орбитам, близким к окружностям. Однако попадается также довольно значительное количество орбит в виде весьма вытянутых эллипсов, заходящих внутрь земной орбиты. Аполлон, Адонис, Амур, Гермес, Ганимед и другие астероиды могут очень близко подходить к Земле. Так, Гермес приближался к Земле 30 октября 1937 г. на расстояние 580 000 км, т.е. в это время он был только в 1,5 раза дальше от Земли, чем Луна. Орбиты некоторых астероидов ничем не отличаются от орбит метеорных потоков или комет, как это можно видеть на рис. 26.
Рис. 26. Орбиты астероидов, комет и метеорных потоков.
Не исключена возможность столкновения такого астероида с Землёй. Если принять во внимание, что масса небольших астероидов близка к первоначальной массе крупных метеоритов (например, Тунгусского или Сихотэ-Алинского) и что их форма такая же осколочная, как у больших метеорных тел, то можно сделать заключение, что астероиды имеют непосредственную связь с метеоритами.
В отличие от астероидов кометы принадлежат на первый взгляд к гигантским телам Солнечной системы. Диаметр головы кометы нередко превышает размеры Солнца, а их хвосты тянутся на сотни миллионов километров. Тем не менее, по своей ничтожно малой массе кометы по справедливости также относятся к малым телам Солнечной системы. Основная масса кометы сосредоточена в её ядре, которое наблюдается с Земли как небольшой, звездоподобный объект. Ядро окружено светлой оболочкой, так называемой комой; из него выделяются веерообразные струи, обтекающие ядро и устремляющиеся в сторону, противоположную Солнцу. Общие очертания этих излияний образуют оболочку кометы. Ядро с комой и излияниями составляет голову кометы, от которой отходит один или несколько кометных хвостов. Хвосты развиваются у комет при их приближении к Солнцу, вдали же от Солнца комета представляется туманным круглым пятнышком, а у некоторых комет даже при их прохождении вблизи Солнца хвосты не появляются. Такие кометы состоят только из одной головы.
|
|
|
Голова кометы иногда бывает более простой и состоит только из одного звездоподобного ядра. Ядро следует считать основной частью кометы и источником образования всех остальных явлений, наблюдающихся в кометах. Размеры кометных ядер чрезвычайно малы. Так, в мае 1910 г. ядро кометы Галлея проходило между Солнцем и Землёй, однако даже в крупные телескопы ничего рассмотреть на солнечном диске не удалось, так же как и при прохождении перед Солнцем кометы 1882 II. Отсюда следует, что ядро кометы Галлея имело поперечник не более 30 км. Французский астроном Бальде, наблюдая в крупный телескоп кометы 1927 VII (Понс-Виннеке) и 1930 VI (Швассмана-Вахмана 3), которые подходили весьма близко к Земле, оценил диаметр их ядер величиной порядка 400 м.
Масса кометных ядер также ничтожна. Комета Лекселя 1770 I прошла в непосредственной близости к спутникам Юпитера, не вызвав заметных возмущений их движения. Та же комета приближалась к Земле на 2,4 миллиона километров без всяких последствий для движения нашей планеты или Луны. Отсюда её масса должна быть менее 10-6 массы Земли. По оценке Б.А. Воронцова-Вельяминова масса ядра кометы Галлея составляет 3.1019 г, или 5.10-9 массы Земли.
Ранее предполагали, что ядра комет могут состоять из роя осколков, напоминающих крупные метеорные тела. Однако казанский астроном А.Д. Дубяго в 1950 г. показал, что такое ядро вследствие взаимных столкновений осколков будет неустойчивым и очень скоро станет монолитным в результате взаимного слипания осколков. Следовательно, гораздо более вероятно считать ядра комет монолитами. В том же 1950 г. Ф. Уипл (США) высказал гипотезу монолитного ледяного ядра кометы, получившую в настоящее время всеобщее признание. Кометное ядро согласно этой гипотезе является конгломератом из метеорных тел и льдов воды, а также замёрзших газов - аммиака, метана, углекислоты и др.
|
|
|
При приближении к Солнцу затвердевшие газы испаряются и образуют кому, излияния и хвосты кометы. Вследствие вращения, присущего всем космическим телам, в том числе и кометным ядрам, солнечное излучение должно более или менее равномерно нагревать их со всех сторон. В результате поверхность ледяного ядра по крывается тонким слоем метеорной пыли, плохо проводящим солнечное тепло. Это предохраняет летучие вещества в кометном ядре от очень быстрого испарения. Выброс газов из головы кометы является источником реактивных сил, действующих на ядро кометы, что хорошо объясняет согласно А.Д. Дубяго вековые замедления или ускорения в движении некоторых комет, как, например, кометы Энке, д'Арре или Вольфа 1.
Орбиты комет разделяются на два больших класса. Первый класс представляют весьма вытянутые эллипсы, мало отличающиеся от параболы. Поэтому при движении кометы по подобной орбите последняя иногда условно принимается за параболу для простоты вычислений. Такие кометы называются долгопериодическими. Типичным примером долгопериодической кометы является комета Галлея, имеющая период обращения вокруг Солнца 76 лет. Афелий её орбиты расположен за пределами орбиты Нептуна. Нетрудно заметить, что такие же орбиты имеют и метеорные потоки первого типа, часть из которых движется по орбитам соответствующих им долго-периодических комет.
Второй класс кометных орбит составляют коротко-периодические эллиптические орбиты с афелиями вблизи орбиты Юпитера. Некоторые из этих орбит (кометы Энке, Вильсона - Харрингтона) целиком умещаются внутри орбиты Юпитера. Периоды обращения коротко-периодических комет имеют значения от 2,3 до 17,9 года. Среди них встречаются почти круговые орбиты (кометы Швассмана - Вахмана 1 и Отерма), практически ничем не отличающиеся от орбит астероидов. Орбиты, аналогичные орбитам короткопериодических комет, имеют метеорные потоки второго и отчасти третьего типа. Некоторые из этих потоков движутся по орбитам, весьма близким к орбитам таких комет, как Энке, Биэлы, Понс-Виннеке и др.
В настоящее время известны орбиты 525 комет. Из них для 274 комет, за неимением достаточно хороших наблюдений, вычислены приближённые параболические орбиты, для 52 комет орбиты являются гиперболическими, а для 199 - эллиптическими. Из комет, имеющих эллиптические орбиты, 114 имеют период обращения свыше 200 лет, т. е. являются долгопериодическими. Так как движение комет по гиперболам обычно происходит вследствие возмущений со стороны больших планет, в особенности Юпитера и Сатурна, и первичные орбиты таких комет являются также весьма вытянутыми эллипсами, то следует считать, что 440 комет (около 84% всего числа) имеют весьма вытянутые долгопериодические орбиты.
|
|
|
Это преобладание долгопериодических орбит ещё более усиливается, если принять во внимание условия видимости обоих классов комет. Короткопериодические кометы движутся вблизи Солнца, многократно сближаясь с Землёй. Подвергаясь действию солнечных лучей, короткопериодические кометы усиливают своё свечение и развивают газовые хвосты, хорошо видимые на сравнительно небольшом расстоянии с Земли. В то же время долгопериодические кометы большую часть времени своего существования находятся вдали от Солнца и Земли, оставаясь невидимыми для земного наблюдателя. Поэтому число долгопериодических комет, принадлежащих Солнечной системе и сопровождающих Солнце в его движении относительно звёзд, должно быть чрезвычайно велико.
Голландский астроном И. Оорт выдвинул в 1950 т. предположение о том, что облако комет вокруг Солнца простирается приблизительно до расстояния в 200 000 астрономических единиц, т.е. имеет поперечник, сравнимый с расстоянием до ближайших звёзд. Это облако заполняет всю сферу притяжения Солнца, т.е. пространство, в котором тяготение Солнца превосходит притяжение соседних звёзд. Число комет в облаке достигает величины 1011, так что общая масса кометного вещества в Солнечной системе, вероятно, составляет около 100 масс Земли, или 10-3 - 10-4 массы всей Солнечной системы.
Под влиянием возмущений, вызванных притяжением ближайших звёзд, кометы одна за другой входят во внутренние области облака. Здесь они описывают сильно вытянутые эллиптические, почти параболические траектории относительно Солнца. Притяжение больших планет может сообщить комете, появившейся во внутренних областях Солнечной системы, дополнительное ускорение, и тогда комета по гиперболической орбите будет выброшена из пределов Солнечной системы. В других случаях возмущения больших планет замедляют движение кометы, и она перемещается во внутренние области планетной системы. Некоторые кометы были захвачены Юпитером и образовали относительно малочисленную, но хорошо наблюдаемую с Земли группу короткопериодических комет. Скопление комет во внешних областях Солнечной системы является своеобразным складом - "холодильником" комет, где они пребывают неограниченно долгое время, пока звёздные возмущения не заставят их приблизиться к Солнцу. Тогда наступает последний этап жизни кометы, посещающей в качестве космического тела окрестности Солнца. Действие солнечного излучения начинает быстро разрушать комету, заставляя её терять лёгкие летучие газы. Замёрзшие газы испаряются, образуют пышные хвосты; при очень близком прохождении вблизи Солнца его тепло испаряет из кометного ядра не только льды, но и тугоплавкие элементы - натрий, кальций и даже железо. При каждом обращении вокруг Солнца комета теряет часть своего вещества. Не удивительно, что короткопериодические кометы, вынужденные пребывать длительное время под разрушительным действием солнечных лучей, быстро теряют вещество и заметно убывают в яркости за очень короткие промежутки времени, исчисляемые десятилетиями, как это впервые обнаружил советский астроном С.К. Всехсвятский.
Замечательные исследования природы комет и характера их постепенного распада были выполнены великим русским астрономом Ф.А. Бредихиным во второй половине XIX века. Опираясь на представление, что частицы, вылетевшие из ядра кометы, находятся под действием двух сил - силы притяжения Солнца и отталкивательной силы, исходящей от Солнца, Бредихин показал, что всё многообразие кометных хвостов можно свести к трём основным типам. К хвостам I типа (рис. 27) относятся почти прямолинейные хвосты, тянущиеся почти точно в сторону, противоположную Солнцу. Отталкивательные силы в хвостах I типа очень значительны и превосходят в 20-1000 раз силы солнечного притяжения. Состав хвостов I типа газовый. Они состоят из ионизованных молекул азота и окиси углерода. В искривлённых широких хвостах II типа действуют меньшие отталкивательные силы Солнца (от 0,6 до 2,2 силы солнечного притяжения). Ещё меньше эти силы в коротких хвостах III типа, отклонённых почти точно в сторону, противоположную движению кометы.
Рис. 27. Типы кометных хвостов в комете 1910 I (a - короткий аномальный хвост).
Природа отталкивательной силы выяснена только для хвостов II и III типов: это - световое давление солнечного излученная. В хвостах же I типа действуют такие большие отталкивательные силы, что объяснить их одним световым давлением нельзя.
Как полагает известный советский исследователь комет С.В. Орлов, хвосты II и III типов состоят из мельчайших пылинок, выброшенных ядром кометы, возможно, в результате столкновения ядра с метеорными телами. Б.Ю. Левин считает, что хвосты II типа не являются пылевыми, а состоят, так же как и хвосты I типа, из газов и. образованы углеродом и цианом. Однако даже в том случае, если хвосты II типа состоят из пылинок, то это чрезвычайно маленькие частицы, размером порядка 10-5 см (т.е. долей микрона), иначе говоря, вещество этих хвостов гораздо более мелко раздроблено, чем метеорное вещество.
Только аномальные хвосты комет, открытые и исследованные Ф.А. Бредихиным, состоят из более крупных частиц, с поперечником более 0,01 мм. Эти аномальные хвосты (рис. 27, а) и являются, по Ф.А. Бредихину, результатом извержения раздробленного метеорного вещества из кометных ядер. Аномальные хвосты образуются при сближении комет с Солнцем. Хотя аномальные хвосты наблюдаются сравнительно редко - когда струя извергаемых частиц является достаточно плотной, однако такие извержения, по-видимому, представляют обычное явление в ходе постепенного разрушения кометы. Причиной извержения могут служить внезапный выброс нагретого газа из недр кометного ядра, увлекающий твёрдые частицы, или столкновение ядра с крупным метеорным телом типа астероида, или, наконец, приливные силы Солнца.
Важно то, что начальные скорость и направление выброса могут изменяться в весьма широких пределах. Если начальная скорость выброса была невелика, например в случае воздействия приливных сил, орбита выброшенных частиц будет мало отличаться от начальной орбиты кометы. В случае же относительно больших скоростей извержения орбиты возникших - метеорных потоков могут сильно отличаться от начальной орбиты кометы. В этом случае лишь взаимное пересечение орбит кометы и метеорного потока в точке извержения будет признаком связи метеоров с той или иной кометой.
По Ф.А. Бредихину, следовательно, устанавливаются более сложные и общие признаки связи между кометой-родоначальницей и метеорным потоком, чем простое взаимное совпадение их орбит. Наличие сложной структуры у Персеид, где, кроме центрального радианта, имеются ещё в большом количестве побочные ветви потока, подтверждает точку зрения Ф.А. Бредихина. Правда, материалы визуальных наблюдений, которыми пользовался Ф.А. Бредихин, отягощены большими случайными ошибками, приводящими к рассеянию радиантов по небу, однако изучение вновь полученных в Сталинабаде фотографий Персеид, произведённое в 1954 г. П.Б. Бабаджановым под руководством С.В. Орлова, подтверждает правильность выводов Ф.А. Бредихина. Чтобы объяснить наличие орбит метеоров, отклоняющихся от орбиты центральной ветви Персеид, необходимо допустить наличие извержений из ядра кометы 1862 III с начальными скоростями 2-3 км/сек.
По данным чешского астронома М. Плавеца, для Драконид скорость извержения была значительно меньше - порядка 10 м/сек. М. Плавец считает, что если облако метеоров будет извергнуто из ядра кометы с начальной скоростью 0,01 км/сек вперёд по направлению движения кометы, то потребуется следующее время для того, чтобы это облако опередило комету-родоначальницу на половину орбиты:
|
Так или иначе, процесс постепенного разрушения кометы приводит к выделению самостоятельного скопления метеорного вещества, т. е. к образованию метеорного потока. Орбита этого потока может как оставаться весьма близкой к орбите кометы-родоначальницы, так и значительно от неё отличаться. Таким образом, между кометами и метеорными потоками имеется тесная генетическая связь. Эта связь давно была заподозрена астрономами XIX столетия на основании простого, но очень важного факта взаимного совпадения орбит некоторых метеорных потоков и комет.
Нам остаётся рассмотреть природу зодиакального света - явления, находящего своё объяснение, по мнению ряда крупных учёных, в том числе В.Г. Фесенкова, в отражений и рассеянии солнечного света мельчайшими частицами метеорной пыли. Известно, что зодиакальный свет наблюдается в виде светлых конусов после захода Солнца или до его восхода, протягивающихся вдоль эклиптики, т.е. близ плоскости земной орбиты. В тёмные ночи под южными широтами, где эклиптика высоко поднимается над горизонтом, зодиакальный свет бывает особенно ярким. Там иногда удаётся видеть, как оба конуса смыкаются между собой в замкнутую полосу. В стороне, противоположной Солнцу, наблюдается светлое пятнышко, так называемое противосияние.
До последнего времени существовало два взгляда на природу зодиакального света. Одни считали, что зодиакальный свет образуется вздутием земной атмосферы вдоль экватора. Освещаемые Солнцем или даже Луной удалённые области атмосферы видны, как зодиакальный свет и противосияние. Другие полагали, что зодиакальный свет можно полностью объяснить наличием линзообразного облака пылевидного метеорного вещества вокруг Солнца, рассеивающего солнечные лучи.
Исследования последних лет, главным образом советских учёных И.С. Астаповича, Н.Б. Дивари, В.Г. Фесенкова и Г.А. Тихова, показали, что зодиакальный свет представляет сложное явление, образованное как свечением удалённых областей земной атмосферы, так и рассеянием солнечных лучей в облаке свободных электронов и мельчайшей метеорной пыли, окружающем Солнце. Противосияние оказалось газовым хвостом Земли, обращенным в сторону, противоположную Солнцу.
Таким образом, подтвердилась гениальная догадка М.В. Ломоносова, который ещё в XVIII веке полагал, что Земля, подобно кометам, имеет хвост, образованный разреженными светящимися газами воздуха и видимый с Луны. Мысль эта возникла у М.В. Ломоносова в результате аналогий, которую он проводил между хвостами
комет и полярными сияниями. Изучение спектра основных конусов зодиакального света подтвердило газовую природу всего явления в целом. Оказалось, что чрезвычайно разреженная атмосфера Земли простирается в виде линзы в плоскости земного экватора на расстояние в несколько тысяч километров. Слабое свечение этой атмосферной линзы Земли, включая и её хвост, направленный в сторону от Солнца, и составляет первую, газовую, земную составляющую зодиакального света.
Рис. 28. Действие лучевого давления на частицу (М), обращающуюся вокруг Солнца (С). Луч света (Л) вследствие сложения скорости света (V) и орбитальной скорости частицы (v) имеет относительно частицы направление Л', создавая радиальное отталкивание (Р) и касательное тормозящее (Т) давления.
Вторую часть зодиакального света составляет солнечный свет, рассеиваемый облаком электронов и мельчайшей метеорной пылью, концентрирующейся в виде линзы вокруг Солнца. На. маленьких пылевых частичках должен весьма значительно сказываться эффект лучевого давления, так называемый эффект Пойнтинга-Робертсона. Представим себе частицу, освещаемую лучами Солнца (рис 28). Вследствие сложения скоростей света и орбитального движения частицы лучевое давление будет направлено несколько навстречу движению частицы. Поэтому оно будет замедлять орбитальное движение частицы. Затормаживаемая лучистым давлением частица будет по спиральной орбите с каждым оборотом приближаться к Солнцу и в конце концов упадёт на него. Чем меньше масса частицы, тем больше будет тормозящее действие Солнечного излучения и тем быстрее она упадёт на Солнце. Эффект Пойнтинга - Робертсона усиливается еще более действием корпускулярного излучения Солнца. В результате совместного действия этих двух факторов, на Солнце падает ежесекундно не менее, а, вероятно, гораздо более тонны пылевого материала. Следовательно, пылевое облако вокруг Солнца должно непрерывно обновляться, причем для поддержания существования зодиакального света требуется несколько тонн метеорного материала в секунду. Этот материал доставляется, вероятно, главным образом в результате разрушения метеорных тел, при взаимных столкновениях. Метеорное облако вокруг Солнца, состоящее из частиц размерами от 1 до 300 микронов, окутывает его на громадное расстояние, от орбиты Земли и далее. Отражение солнечного света от этого постоянно обновляющегося облака и является второй компонентой зодиакального света. Таким образом, устанавливается связь между зодиакальным светом и наиболее мелкими метеорными частицами.
Мы видим, что астероиды, кометы и отчасти зодиакальный свет находится в тесной связи с метеорами. Метеорное вещество входит составной частью в комплекс малых тел Солнечной системы, являясь продуктом разрушения более крупных тел и само переходит в другие, еще более распыленные виды вещества, как например, материал облака зодиакального света.
Рассмотрев связь метеорного вещества с другими малыми телами Солнечной системы, перейдем к процессам эволюции этих тел.
|
|
|
