Rambler's Top100Astronet    
  по текстам   по ключевым словам   в глоссарии   по сайтам   перевод   по каталогу
 

Происхождение и эволюция метеороидных роев

Ю.В.ОБРУБОВ

Калужский филиал Московской сельскохозяйственной академии им. К.А. Тимирязева

Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана

Обсуждаются теории происхождения метеороидных роев. Описаны основные возмущающие силы, определяющие эволюцию метеороидных роев. Показано, что в результате эволюции один метеороидный рой может порождать несколько пар метеорных потоков, действующих в разное время года. Приведены данные об установленных взаимосвязях комет, астероидов и метеорных потоков.

Введение

В Солнечной системе кроме больших планет движется множество более мелких тел. Это астероиды, кометы и метеорные частицы или так называемые метеороиды. Считается, что астероиды являются каменистыми телами, а кометы представляют собой конгломерат замерзших газов и пылевых частиц. При приближении комет к Солнцу газы начинают испаряться и, покидая ядро, увлекают за собой пылевые частицы. Этот процесс приводит к образованию характерных хвостов комет. Скорости, с которыми твердые частицы покидают ядро родительской кометы, относительно малы. Поэтому они движутся по гелиоцентрическим орбитам, мало отличающимся от орбиты ядра. В некоторых случаях орбиты комет проходят очень близко от орбиты Земли, а иногда и пересекают ее. Если в этом районе оказывается и Земля, то метеороиды вторгаются в ее атмосферу со скоростями от 11 до 72 км/с. В результате наблюдается явление метеорного дождя (тысячи метеоров в час) или метеорного потока (десятки-сотни метеоров в час), возникающего из-за ионизации атмосферного столба вдоль траектории полета метеороидов. Со временем метеороиды рассеиваются вдоль всей орбиты кометы, и тогда ежегодно при прохождении Землей области пересечения орбит наблюдается явление метеорного потока. Известно около 20 ежегодных метеорных потоков с достаточно высоким часовым числом метеоров - от 20 до 140 метеоров в час. Эти потоки называют главными (табл. 1).

Таблица 1. Главные ежегодные метеорные потоки, периодические метеорные дожди и их родительские тела
Название потока Дата $\alpha$ $\delta$ V, км/с N Родительское тело
Квадрантиды 03.01 231° + 50° 41 140 Мачхолца 1986 VIII
Лириды 22.04 271 + 34 48 12 Тэтчер 1861 I
$\eta$-Аквариды 03.05 336 0 66 30
Дневные Ариетиды 07.06 43 + 23 39 60 Мачхолца 1986 VIII
$\xi$-Персеиды 07.06 62 + 23 27 40 Энке 1971 II
$\beta$-Тауриды 29.06 86 + 19 30 30 Энке 1971 II
Южн. $\delta$-Аквариды 29.07 333 - 16 41 30 Мачхолца 1986 VIII
Сев. $\delta$-Аквариды 12.08 339 - 5 42 20 Мачхолца 1986 VIII
$\alpha$-Каприкорниды 30.07 307 -10 23 30 Адонис (2101)
Южн. $\iota$-Аквариды 05.08 333 -15 34 15 ???
Сев. $\iota$-Аквариды 20.08 327 - 6 31 15 ???
Персеиды 12.08 46 + 57 59 70 Свифта-Туттля 1862
К-Цигниды 18.08 286 + 59 25 5 ???
Дневные Секстантиды 29.09 152 0 32 30 Фаэтон (3200)
Дракониды 09.10 262 + 54 20 Д Джиакобини-Циннера
Ориониды 21.10 94 +16 66 30 Галлея 1910 II
Южн. Тауриды 03.11 50 +14 27 7 Энке 1971 II
Сев. Тауриды 13.11 58 + 22 29 7 Энке 1971 II
Леониды 17.11 152 + 22 71 Д Темпеля-Туттля 1866
Андромедиды 27.11 25 + 44 16 Д Биэлы 1846 II
Дек. Фенициды 05.12 15 - 55 12 20 Бланпейна 1819 IV
Геминиды 14.12 112 + 32 34 70 Фаэтон (3200)
Урсиды 22.12 217 + 76 33 20 Мачхолца 1986 VIII

В табл. 1 дата - номер дня и месяца проявления максимальной активности потока, $\alpha$ - прямое восхождение, а $\delta$ - склонение радианта в градусах, V - геоцентрическая скорость метеороидов (в км/с), N - число метеоров в час в максимуме активности по визуальным наблюдениям, для дневных потоков - по радиолокационным (Д означает метеорный дождь, то есть N > 10 000). В графе “Родительское тело” даны название периодической кометы и ее условное обозначение, а для астероидов - название и (в скобках) порядковый номер по каталогу малых планет. Координаты радианта $\alpha$ и $\delta$ - координаты точки на небесной сфере, в которой пересекаются видимые пути метеоров потока.

Менее интенсивные потоки называют малыми, и их число составляет по разным данным несколько тысяч.

Исследования метеорного вещества и метеорных явлений имеют и большое прикладное значение. Метеоры являются естественными зондами для изучения направления ветров и других параметров атмосферы на высотах 60-120 км. Ионизируя атмосферу, метеоры создают ночью плотный и тонкий ионосферный слой - так называемый спорадический слой Еs в ионосфере Земли. Ионосферные неоднородности, создаваемые метеорами, используются в радиосвязи для передачи сигналов на сверхдальние расстояния. Нельзя забывать и об опасности, которую представляют метеорные частицы для космических аппаратов.

Научное значение метеорных потоков заключается в том, что они являются своеобразными каналами, по которым кометное вещество попадает на Землю и становится доступным для изучения. Так как считается, что кометы состоят из остатков протопланетного вещества, практически не изменившегося в их ядрах за миллиарды лет, то, исследуя химический состав метеороидов, можно решать задачи, связанные с происхождением Солнечной системы.

Теории происхождения метеороидных роев

Начиная с открытия Дж. Скиапарелли, установившего сходство орбит метеорного потока Персеид и кометы 1862 III, большинство исследователей считают, что метеороидные рои образуются при разрушении ядер комет. Эта точка зрения не изменилась до настоящего времени, хотя представления о составе и структуре кометных ядер пересматривались и уточнялись неоднократно. Основные положения теории происхождения метеороидных роев сформулированы известным русским ученым Ф.А. Бредихиным [1] еще в прошлом веке:

1) метеороидные рои образуются при разрушении ядер комет;

2) выброс метеорных частиц происходит с ненулевой скоростью;

3) длительное время метеороидный рой и комета могут существовать совместно;

4) одна комета может образовать несколько метеорных потоков.

Эти положения соответствуют современным представлениям о структуре, происхождении и эволюции комет и метеороидных роев, хотя их содержание и смысл изменились существенно.

В зависимости от принятой модели кометного ядра рассматривались и различные процессы образования метеороидных роев. Согласно Дж. Скиапарелли, ядро кометы представляло собой скопление метеороидов, связанных гравитационным притяжением. Образование метеороидного роя (или разрушение кометы) происходило под действием приливных сил Солнца, то есть частицы покидали комету с нулевыми скоростями. Эта теория не объясняла многие наблюдаемые явления как в кометах (газовые и аномальные хвосты), так и в метеорных потоках (большие длительности действия и площади радиации).

Основываясь на наблюдениях, Ф.А. Бредихин предположил существование импульсов, под действием которых происходит выброс метеороидов из ядер комет (со скоростями до 3 км/с). При этом он не отвергал теории распада комет под действием приливных сил и считал, что в этом процессе кроме Солнца участвуют и большие планеты.

Идея монолитного ядра кометы, вероятно, впервые была высказана Б.Ю. Левиным [2] в 1943 году. Он считал, что ядрами комет могут быть твердые глыбы, пропитанные газами, которые выделяются при нагревании ядра вблизи Солнца. Эта модель не могла объяснить ни относительно большие потери массы кометой при каждом прохождении перигелия, ни образование метеороидных роев. Тем не менее вопрос о ядре как множестве гравитационно связанных тел был снят.

Наблюдения и исследования комет показали, что в их состав входят замерзшие газы CN, C2 , C3 , CH, OH, NH, CH2 , CO, CO2 , N2 и им подобные, а также пылевые частицы различных размеров. На этом основании Ф. Уиппл [3] разработал модель ядра кометы как конгломерата легкоплавких льдов и пылевых частиц. Под действием солнечного излучения происходит нагревание и испарение льдов, а потоки сублимирующих газов выносят в голову кометы и ее хвосты пылевую материю. Некоторые из частиц не могут покинуть поверхность ядра или возвращаются на нее под действием притяжения ядра и со временем образуют пылевую корку. Она препятствует проникновению тепла внутрь и ослабляет скорость пыле- и газовыделения. По этой причине “старые” кометы (в основном движущиеся по короткопериодическим орбитам, Р < 300 лет), многократно побывавшие вблизи Солнца, в среднем намного слабее “новых” долгопериодических комет.

Спокойный распад кометных ядер при сублимации льдов - наиболее вероятный путь образования метеороидных роев. Но нельзя, конечно, исключать образование роя при катастрофических процессах распада ядра кометы под действием приливных, центробежных или иных сил и при возможных столкновениях с астероидами или метеороидами.

По мнению Ф.А. Бредихина, сомнения в кометном происхождении метеорных потоков появились из-за огромной разницы между числом известных тогда комет (310) и числом метеорных потоков (3000). Поэтому появились работы, в которых происхождение метеорных потоков приписывалось другому источнику. Б.Ю. Левин вообще считал сопоставление общего числа комет и метеорных потоков непредставляющим интереса. Он напоминает, что три слабые кометы, связанные с метеорными потоками Лирид, Персеид и Леонид, наблюдались только в 1861-1866 годы, и если бы их появление было упущено наблюдателями, то эти интереснейшие потоки остались бы без комет-родоначальниц.

Кометные ядра возникли миллиарды лет назад в период формирования Солнечной системы, тогда как метеороидные рои могут существовать не более десятков или сотен тысячелетий. Поэтому невозможно допустить совместное происхождение комет и метеороидных роев. Метеороидные рои образуются при распаде кометных ядер и сейчас, о чем свидетельствуют наблюдения кометных явлений.

Вопрос о возможности образования метеороидных роев при разрушении астероидов поднимался неоднократно. Несомненно, что при столкновениях астероидов между собой, а также с метеорными телами происходит их разрушение и часть вещества в виде пыли и более крупных осколков продолжает существовать самостоятельно, двигаясь вокруг Солнца по различным орбитам. Вопрос заключается в том, насколько могут быть близки орбиты частиц, покинувших астероид, и достаточно ли их будет, чтобы при пересечении такого роя Землей в ее атмосфере наблюдался метеорный поток. Первая часть вопроса заключается в определении скоростей выброса частиц при ударном взаимодействии, а вторая - в энергии удара. И наконец, еще один немаловажный вопрос: как часто происходят столкновения, при которых возможно образование достаточно плотного роя? Если из наблюдений комет хорошо известна скорость потери их массы, то еще не было случая наблюдений дробления астероида. Существующие оценки частоты столкновений и прогнозирование их результатов являются в основном теоретическими или основаны на лабораторных экспериментах.

Как показано в работе [7], нередко астероиды, кометы и метеорные потоки образуют довольно сложные комплексы, возможно связанные генетически. В этих комплексах очень трудно определить, какие потоки и какими именно телами образованы. Предполагается, что все крупные объекты комплекса произошли после дробления ядра гигантской кометы.

Выброс метеорных частиц из родительских тел и давление света

Согласно ледяной модели кометного ядра, метеороиды выбрасываются из него силой давления сублимирующих газов. В этом случае скорости выброса частиц будут зависеть от их массы и плотности. Для качественных исследований достаточно использовать формулу Ф. Уиппла. Скорость выброса С метеороида плотностью $\delta$ г/см3 и радиусом $\rho$ см из ядра кометы радиусом Rc км на расстоянии r а.е. оценивается выражением

$C=3,28\cdot[\frac{4R_{c}}{n_{s}\rho \delta r^{9/4}}]^{1/2}$ м/с,

где ns - эффективность сублимации.

Эксперименты по косому удару поликарбонатного цилиндрического снаряда в базальтовую сферу со скоростью 2,7 км/с показали, что движение осколков происходит симметрично относительно оси, соединяющей точку удара и центр мишени. Исключение составляют лишь 20% (по массе) осколков, вылетающих непосредственно из точки удара. Наиболее быстрые фрагменты вылетают под наименьшими углами к оси конуса выброса частиц. Эксперименты по удару со скоростями от 3 до 10 км/с установили, что 95% осколков выбрасываются со скоростью менее 1 км/с. При скоростях столкновений от 3 до 6 км/с большая часть осколков вылетает со скоростями менее 0,5 км/с. На основании этих данных можно предположить, что и при столкновениях астероидов фрагменты разлетаются с относительно небольшими скоростями.

Допустим, что разрушается астероид-мишень, масса которого значительно больше массы астероида-снаряда. Массу m снаряда можно вычислить по формуле

$m= \frac{2Qk}{\alpha V}$

где $\alpha$ - относительная доля энергии снаряда, идущая на выброс вещества в рой, Qk = 9 $\cdot$ 1022 эрг - постоянная величина, V - скорость столкновения. Для астероида-мишени (а = 2-3 а.е., е = 0,5-0,7) и астероида-снаряда (а = 3 а.е., е = 0) из основного пояса скорость столкновения может быть от 5 до 20 км/с. На испарение каменистого вещества расходуется 8 $\cdot$ 1010 эрг/г, на фрагментацию - 1 $\cdot$ 1010 эрг/г. Так, если $\alpha$ = 0,1, а V = 5 км/с, то масса снаряда должна быть около 8 $\cdot$ 1012 г, что при плотности 3,5 г/см3 соответствует радиусу астероида-снаряда 90 м. Если же $\alpha$ = 0,01, то радиус снаряда должен быть около 200 м. Из приведенных оценок следует, что метеороидный рой может образоваться только при столкновении относительно крупных тел, а вероятность такого столкновения мала. Если же допустить, что с поверхности астероида частицы вылетают в результате столкновений с метеороидами крупнее 10- 6 г, то тогда для образования роя потребуются миллионы или десятки миллионов лет. В этом случае рой распадется, не успев образоваться.

Вопрос о возможности связи метеороидных роев с астероидами групп Аполлона, Амура и Атона (ААА), орбиты которых могут пересечь орбиту Земли, решается на основе гипотезы Эпика. Согласно этой гипотезе, хотя бы некоторые из астероидов ААА являются “угасшими” кометами, то есть кометами, ядра которых покрыты толстой (до 10 м) пылевой корой. В этом случае предполагается, что метеороидные рои образовались во время существования таких астероидов в активной, кометной стадии в соответствии с рассмотренным выше механизмом выброса пылевых частиц потоками газов.

На метеорные частицы сразу после их отделения от родительского тела начинает действовать давление света. Сила этого давления направлена по орбитальному радиусу-вектору частицы и обратно пропорциональна квадрату расстояния. Так как сила солнечного притяжения изменяется по такому же закону, но направлена в противоположную сторону, то давление света вызывает действие, эквивалентное уменьшению массы Солнца.

Формулы, по которым можно определить элементы орбиты а, е и р отделившегося от родительского тела с нулевой скоростью метеороида, изменившиеся из-за давления света, записываются в виде

$e =\frac{\beta h^{2}V^{2}_{0}(1-\mu(rV^{2}_{0})}{e_{0}\mu}$,

$a=\beta a_{0}(\frac{2a_{0}}{r-1})$,

$ p = \beta p_{0}$ ,

где индексом 0 отмечены элементы орбиты родительского тела в момент отделения частицы (е - эксцентриситет орбиты, а и р - большая полуось и параметр), $\beta$ - отношение силы давления света к силе притяжения Солнцем, h - удвоенная секториальная скорость, r - расстояние от Солнца в момент отделения частицы.

Выброс метеорных частиц из родительских тел с ненулевыми скоростями и давление света обусловливают начальную дисперсию орбит частиц. Дисперсия больших полуосей орбит метеороидов определяет время, в течение которого частицы роя распределятся вдоль всей орбиты родительского тела.

Результаты моделирования выброса частиц из родительских тел позволили получить представление о пространственной форме молодых метеороидных роев. Было показано, что молодой метеороидный рой является плоским, узким в перигелии и широким в афелии.

Планетные и негравитационные возмущения

Силы, обусловливающие движение небесных тел, чрезвычайно многочисленны и разнообразны по характеру и происхождению. За