Astronet > Gazodinamicheskoe vzaimodeistvie kometnyh atmosfer s solnechnym vetrom

po tekstam po klyuchevym slovam v glossarii po saitam perevod po katalogu

Gazodinamicheskoe vzaimodeistvie kometnyh atmosfer s solnechnym vetrom

V.B.BARANOV

Moskovskii gosudarstvennyi universitet im. M.V. Lomonosova

Ctat'ya posvyashena izlozheniyu sovremennogo predstavleniya o gazodinamicheskom vzaimodeistvii solnechnogo vetra s kometnymi atmosferami. Rezul'taty predskazanii gazodinamicheskih modelei sravnivayutsya s eksperimental'nymi dannymi, poluchennymi na kosmicheskih apparatah, kotorye byli zapusheny dlya issledovaniya komety Galleya v marte 1986 goda.

Vvedenie

Na freske izvestnogo ital'yanskogo hudozhnika Dzhotto di Bondone "Poklonenie volhvov" (1303) mozhno uvidet' izobrazhennuyu na nebe hvostatuyu kometu (ris. 1).

Ris. 1. Izobrazhenie hvostatoi komety (predpolozhitel'no komety Galleya) na freske znamenitogo ital'yanskogo hudozhnika Dzhotto "Poklonenie volhvov" (1303)

Nekotorye sovremennye uchenye uvereny, chto Dzhotto izobrazil ocherednoe prohozhdenie vblizi Zemli v 1301 godu dovol'no aktivnoi komety, nazvannoi kometoi Galleya v chest' angliiskogo astronoma Edmunda Galleya (1656-1742), vychislivshego 76-letnii period ee vrasheniya vokrug Solnca i predskazavshego ee ocherednoe poyavlenie vblizi Zemli v 1758 godu. Iz kartin hudozhnikov mozhno poluchit' vizual'nye istoricheskie dokazatel'stva poyavleniya komet vblizi orbity Zemli v te dalekie vremena, kogda eshe ne sushestvovalo ni spektrofotometricheskih issledovanii pri pomoshi nazemnyh teleskopov, ni tem bolee issledovanii pri pomoshi kosmicheskih apparatov. Vyvod kosmicheskih apparatov za predely zemnoi atmosfery pozvolil uchenym provodit' ne tol'ko distancionnye spektrofotometricheskie issledovaniya komet vo vsem diapazone volnovyh chastot, no i pryamye izmereniya fizicheskih parametrov vblizi ih poverhnosti. Interesno, chto imenno kometa Galleya okazalas' pervoi kometoi, kotoraya byla issledovana v marte 1986 goda pri pomoshi zapushennyh k nei kosmicheskih apparatov "Dzhotto" (Evropeiskoe kosmicheskoe agentstvo), "Vega-1" i "Vega-2" (SSSR), "Suissei" i "Sakigake" (Yaponiya). Vblizi orbity Zemli, to est' na rasstoyanii okolo 1 a.e. (astronomicheskaya edinica, ili rasstoyanie ot Zemli do Solnca), yarkie komety obychno sostoyat iz treh chastei: prekrasno vidimogo gigantskogo hvosta, ochen' malen'kogo razmera (po sravneniyu s hvostom) i nevidimogo yadra i svetyasheisya atmosfery, okruzhayushei yadro i nazyvaemoi komoi komety. Koma vmeste s yadrom obychno nazyvaetsya golovoi komety. Nesmotrya na otnositel'no malye razmery, yadro yavlyaetsya glavnoi chast'yu komety. Koma i hvost obrazuyutsya kak sledstvie istecheniya veshestva iz yadra komety.

Esli vzglyanut' v teleskop na tol'ko chto poyavivshuyusya kometu, nahodyashuyusya na rasstoyanii ot Solnca v 3-5 a.e. i bolee, to mozhno uvidet' blednuyu, edva svetyashuyusya sharoobraznuyu tumannost'. Po mere priblizheniya k Solncu atmosfera komety stanovitsya vse bolee i bolee aktivnoi, uvelichivayas' v razmerah i po yarkosti, izmenyaya formu ot sharovoi k oval'noi. Postepenno v antisolnechnom napravlenii razvivaetsya i ee hvost.

Po atmosfernoi aktivnosti komety otlichayutsya drug ot druga. Mnogie komety, yadra kotoryh bogaty letuchimi veshestvami, takimi, kak CO₂ i CO, nachinayut proyavlyat' aktivnost' uzhe na rasstoyanii ot Solnca d $\cong$ 3 a.e. Komety, veshestvo kotoryh sostoit v osnovnom iz molekul vody (H₂O), proyavlyayut znachitel'nuyu aktivnost' tol'ko pri d $\leq$ a.e. Priroda zhe vzaimodeistviya atmosfer komet so sverhzvukovymi potokami plazmy ot Solnca (s solnechnym vetrom) v sil'noi stepeni zavisit ot etoi aktivnosti, kotoraya, v svoyu ochered', opredelyaetsya rasstoyaniem komety ot Solnca i sostavom kometnogo yadra. Raschety pokazali, chto atmosfera komety, yadro kotoroi radiusom R_n = 1 km sostoit v osnovnom iz H₂O, prakticheski ne yavlyaetsya prepyatstviem dlya techeniya solnechnogo vetra pri d $\geq$ 4 a.e. Potok plazmy solnechnogo vetra besprepyatstvenno padaet v etom sluchae na poverhnost' kometnogo yadra. Kogda zhe takaya kometa nahoditsya na rasstoyanii d = 1 a.e. ot Solnca, to v nei kak rezul'tat sublimacii veshestva s ee poverhnosti i posleduyushego ego rasshireniya razvivaetsya nastol'ko moshnaya atmosfera, chto ona stanovitsya sushestvennym prepyatstviem dlya techeniya solnechnogo vetra. V etom sluchae solnechnyi veter chuvstvuet kometnuyu atmosferu na rasstoyanii, kotoroe na 5-6 poryadkov velichiny i bolee mozhet prevoshodit' razmer samogo yadra komety.

V stat'e razdel 1 posvyashen model'nomu predstavleniyu o poverhnosti kometnogo yadra kak istochnike gazodinamicheskogo istecheniya roditel'skih molekul, v razdele 2 opisyvayutsya fizicheskie processy, kotorye proishodyat v potoke kometnogo gaza, a v razdele 3 privoditsya odna iz matematicheskih modelei takogo techeniya. Kachestvennaya kartina gazodinamicheskogo obtekaniya atmosfer komet solnechnym vetrom i nekotorye kolichestvennye rezul'taty rascheta osesimmetrichnoi modeli, v razrabotku kotoroi avtor stat'i vnes sushestvennyi vklad [1-4], izlozheny v razdele 4.

Nado zametit', chto strukturu techeniya, voznikayushego pri obtekanii komet solnechnym vetrom, prakticheski nevozmozhno issledovat' nazemnymi priborami. Eto mozhno bylo sdelat' tol'ko pri pomoshi ustanovlennyh na kosmicheskih apparatah priborov, provodivshih pryamye izmereniya vblizi komet. Imenno poetomu v razdele 5 provoditsya sravnenie nekotoryh rezul'tatov eksperimental'nyh issledovanii obtekaniya komety Galleya solnechnym vetrom, poluchennyh pri pomoshi kosmicheskih apparatov v marte 1986 goda, s predskazaniyami teorii.

1. Poverhnost' kometnogo yadra kak istochnik gazovogo potoka

O vzaimodeistvii solnechnogo vetra s kometami mozhno govorit' tol'ko togda, kogda kometa imeet dovol'no protyazhennuyu i plotnuyu atmosferu. V etom sluchae atmosfera dolzhna nepreryvno rasshiryat'sya v okruzhayushii mezhplanetnyi gaz ochen' nizkogo davleniya, poskol'ku malen'koe kometnoe yadro imeet prenebrezhimo maluyu gravitaciyu i ne mozhet uderzhivat' svoyu atmosferu v ravnovesii. Osnovnoi prichinoi vozniknoveniya atmosfery yavlyaetsya isparenie tverdogo veshestva, iz kotorogo sostoit yadro, vsledstvie ego progrevaniya solnechnym izlucheniem. Pri etom isparenie proishodit pryamo iz tverdogo sostoyaniya bez perehoda v zhidkuyu fazu (vozgonka).

Poskol'ku kometnoe yadro pochti nevidimo pri pomoshi astronomicheskih priborov, to vazhnym predstavlyaetsya postroenie ego teoreticheskih modelei. V nastoyashee vremya schitaetsya, chto yadro - eto konglomerat kamenistyh chastic i zamorozhennoi letuchei komponenty (eto mogut byt' molekuly CO₂ , H₂O, CH₄ i t.p.). V yadre ledyanye sloi iz zamorozhennyh gazov chereduyutsya s pylevymi sloyami. Po mere progrevaniya solnechnym izlucheniem gazy (tipa isparyayushegosya "suhogo" l'da) istekayut naruzhu (v okruzhayushii kometu vakuum), uvlekaya za soboi oblaka pyli. V rezul'tate yadro komety yavlyaetsya istochnikom gazopylevogo potoka, vytekayushego navstrechu solnechnomu vetru. Rassmotrim snachala kolichestvennuyu model' istecheniya potoka veshestva s poverhnosti komety.

Esli schitat', chto process vozgonki proishodit ravnovesno, to, kak izvestno iz kursa fiziki, spravedlivo uravnenie Klapeirona-Klauziusa

$n_s = n_0 \frac{T_0}{T_s}\exp\left[\frac{L}{kN_A}\left(\frac{1}{T_0}-\frac{1}{T_s}\right)\right]\,,$

(1)

gde n_s - koncentraciya molekul isparyayushegosya veshestva, T_s - ih temperatura, k - postoyannaya Bol'cmana, N_A - chislo Avogadro, L - skrytaya teplota ispareniya, kotoraya pri napisanii uravneniya (1) schitaetsya postoyannoi velichinoi, a velichina n₀kT₀ sootvetstvuet davleniyu para pri T_s = T₀ (v nekotoryh teoreticheskih modelyah dlya yader iz zamerzshego l'da H₂O ispol'zovalis' znacheniya n₀ = 1,94 $\cdot$ 10¹⁹ sm^-3, T₀ = 373 K, L = 5 $\cdot$ 10¹¹ erg/mol'). Krome togo, na poverhnosti kometnogo yadra dolzhno vypolnyat'sya uravnenie balansa energii, kotoroe pri ryade uproshayushih predpolozhenii, i v chastnosti v predpolozheniyah sfericheski-simmetrichnogo yadra i ravnomernom ego nagreve (ravnomernyi nagrev poverhnosti vozmozhen pri dostatochno bystrom vrashenii kometnogo yadra), budet imet' vid

$\frac{1-A_s}{d^2}J=\epsilon_{s}\sigma T^{4}_{s}+\frac{L}{N_A}n_{s}V_{s}\,,$

(2)

V uravnenii (2) $A_s$ - bolometricheskoe al'bedo, harakterizuyushee sposobnost' poverhnosti otrazhat' padayushee na nee izluchenie, $d$ - rasstoyanie ot komety do Solnca (v a.e.), $J$ - solnechnaya postoyannaya, $\epsilon_s$ - izluchatel'naya sposobnost' poverhnosti yadra v infrakrasnom diapazone chastot, $\sigma$ - postoyannaya Stefana-Bol'cmana, $V_s$ - skorost' istecheniya molekul s poverhnosti yadra v rezul'tate processa vozgonki. Fizicheskii smysl uravneniya (2) zaklyuchaetsya v balanse pogloshaemoi kometnym yadrom energii padayushego solnechnogo izlucheniya (levaya chast') i energii, otdavaemoi yadrom (pervyi chlen sprava sootvetstvuet energii elektromagnitnogo izlucheniya s poverhnosti nagretogo yadra, a vtoroi chlen - energii pokidayushih yadro molekul). Sistema uravnenii (1) i (2) ne yavlyaetsya zamknutoi dlya opredeleniya treh neizvestnyh velichin $n_s$ , $V_s$ , $T_s$ . Poetomu v literature chasto ispol'zuetsya dopolnitel'noe predpolozhenie, chto skorost' istecheniya molekul ravna skorosti zvuka dlya yader komet s malym soderzhaniem pyli, to est'

$V_s=\sqrt{\frac{\gamma kT_s}{m_c}\,}, \qquad \gamma = \frac{c_p}{c_{\upsilon}}\,,$

(3)

gde $c_p$ i $c_{\upsilon}$ - udel'nye teploemkosti pri postoyannom davlenii i ob'eme sootvetstvenno, a $m_s$ - massa isparivsheisya molekuly. Dlya komet s bol'shim soderzhaniem pyli chasto prinimaetsya sootnoshenie tipa sootnosheniya (3), no s koefficientom M_s < 1, kotoryi harakterizuet otnoshenie skorosti gaza k skorosti zvuka - tak nazyvaemoe chislo Maha.

Rezul'tat resheniya sistemy uravnenii (1)-(3) pri $A_s$ = 0,63, $\epsilon_s$ = 0,37 i $\gamma$ = 5/4 predstavlen na ris. 2 (sm. [5]), gde $n_s$ , $V_s$ i $T_s$ dany kak funkcii rasstoyaniya ot Solnca d. Na ris. 2 vidno, chto s priblizheniem k Solncu uvelichivaetsya kak skorost' istecheniya, tak i koncentraciya molekul kometnogo veshestva, to est' uvelichivaetsya kolichestvo molekul, pokidayushih poverhnost' kometnogo yadra v edinicu vremeni (kak uvidim v dal'neishem, etot parametr ochen' vazhen dlya problemy vzaimodeistviya solnechnogo vetra s kometnoi atmosferoi).

Ris. 2. Koncentraciya n_s molekul isparyayushegosya s poverhnosti komety veshestva, ih skorost' V_s i temperatura T_s kak funkcii rasstoyaniya d ot Solnca

2. Fizicheskie processy v potoke gaza, istekayushego s poverhnosti kometnogo yadra

Izuchenie spektrov izlucheniya kometnoi komy ne pozvolyaet s dostatochnoi stepen'yu tochnosti opredelit' raspredelenie parametrov gazovogo potoka ot komety kak funkcii rasstoyaniya ot kometnogo yadra (skorosti, koncentracii produktov raspada molekul kometnogo proishozhdeniya, ih temperatury i t.p.). Dazhe issledovanie komety Galleya v marte 1986 goda pri pomoshi kosmicheskih apparatov ne ochen' sil'no prodvinulo ponimanie haraktera istecheniya veshestva s poverhnosti komet, poskol'ku ne udalos' priblizit'sya k yadru komety na takoe blizkoe rasstoyanie (poryadka soten kilometrov). Znanie zhe etih parametrov neobhodimo dlya opredeleniya haraktera vzaimodeistviya kometnogo gaza s solnechnym vetrom. Poetomu postroenie gazodinamicheskih modelei takogo techeniya yavlyaetsya vazhnoi zadachei.

Podavlyayushee bol'shinstvo modelei ishodit iz predpolozheniya o sfericheski-simmetrichnom istechenii kometnogo gaza v vakuum. Pri etom reshenie uravnenii gazovoi dinamiki dopuskaet libo vsyudu sverhzvukovoe techenie, libo vsyudu dozvukovoe, esli nalichie pyli ne yavlyaetsya sushestvennym. V prisutstvii zhe pylevoi komponenty, kak pokazal amerikanskii aerodinamik Probstein, vozmozhen perehod ot dozvukovogo istecheniya s poverhnosti yadra k sverhzvukovomu techeniyu vdali ot nee. Poetomu pochti vo vseh modelyah poslednego vremeni skorost' $V_s$ na poverhnosti yadra zadaetsya sverhzvukovoi v sootvetstvii s uravneniem (3). Etomu predpolozheniyu sposobstvovalo eshe i to, chto dlya komety Galleya rashod pyli dostatochno mal, chtoby povliyat' na gazodinamicheskoe techenie. Dlya rascheta techeniya gaza ot istochnika, kotorym yavlyaetsya kometnoe yadro, trebuetsya znanie prezhde vsego himicheskogo sostava istekayushego gaza i proishodyashih v potoke himicheskih reakcii, glavnymi iz kotoryh yavlyayutsya processy fotodissociacii i fotoionizacii kometnyh molekul solnechnoi radiaciei. Esli, naprimer, kometnoe yadro predstavlyaet soboi v osnovnom led H₂O, to v rezul'tate himicheskih reakcii v potoke obrazuetsya odinnadcat' glavnyh komponent: H₂O, OH, H, O, H₂ , O₂ , H₃O⁺, H₂O⁺, OH⁺, O⁺ i H⁺. Uchet 27 vozmozhnyh reakcii pri reshenii gazodinamicheskih differencial'nyh uravnenii dlya uslovii nahozhdeniya komety na 1 a.e. ot Solnca (sm. ris. 2) privodit k raspredeleniyu koncentracii vseh komponent, izobrazhennomu na ris. 3a, b (risunki vzyaty iz [6]).

Ris. 3. Teoreticheskie znacheniya koncentracii vseh atomov i molekul (a) i ih ionov (b), obrazovannyh iz roditel'skih molekul vody v rezul'tate himicheskih reakcii, kak funkcii rasstoyaniya r ot kometnogo yadra

Na ris. 3 vidno, chto na rasstoyanii v neskol'ko desyatkov kilometrov ot poverhnosti yadra kometnyi gaz, obrazovavshiisya v rezul'tate ispareniya i sostoyavshii v osnovnom iz molekul vody, imeet dovol'no raznoobraznyi sostav. Hotya preobladayushim gazom prodolzhaet ostavat'sya isparivshayasya voda (ris. 3a), dlya vzaimodeistviya s solnechnym vetrom vazhno to obstoyatel'stvo, chto gaz stanovitsya ionizovannym. Imenno ionizovannaya komponenta (kak vidno na ris. 3b, preobladayushimi ionami yavlyayutsya iony H₃O⁺) naibolee sil'no vzaimodeistvuet s solnechnym vetrom. Eto svyazano s tem, chto zaryazhennye chasticy (v dannom sluchae kometnye iony i protony solnechnogo vetra) stalkivayutsya mezhdu soboi gorazdo chashe, chem neitral'nye i zaryazhennye, ili, kak prinyato govorit' v fizike, dlina svobodnogo probega zaryazhennyh chastic pri ih stolknoveniyah s zaryazhennymi mnogo men'she dliny svobodnogo probega zaryazhennyh chastic pri stolknoveniyah s neitral'nymi. Pri etom tol'ko vzaimodeistvie kometnyh ionov s protonami solnechnogo vetra mozhno rassmatrivat' na osnove modeli sploshnoi sredy, to est' na osnove uravnenii gidroaeromehaniki.

Rezul'taty, predstavlennye na ris. 3, polucheny v predpolozhenii otsutstviya pylevoi komponenty i dlya sverhzvukovogo istecheniya gaza iz kometnogo yadra. Nado skazat', chto nablyudeniya komet ukazyvayut na bChl'shuyu stepen' ionizacii komy komet, chem poluchaetsya v model'nyh raschetah. Poetomu v teorii chasto delayutsya dopolnitel'nye gipotezy o drugih mehanizmah ionizacii, a ne tol'ko o solnechnom izluchenii.

Dlya problemy vzaimodeistviya kometnyh atmosfer s solnechnym vetrom, kotoraya stala osobenno aktual'noi v svyazi s nachalom ery issledovaniya komet pri pomoshi kosmicheskih apparatov, vazhnym yavlyaetsya postroenie uproshennyh matematicheskih modelei rasshireniya kometnyh atmosfer. Rezul'taty, pokazannye na ris. 3, pomogayut v reshenii poslednei problemy, poskol'ku dayut predstavlenie o glavnyh komponentah istekayushego s poverhnosti komety gaza.

3. Matematicheskaya model' istecheniya gaza ot komet

Chtoby ne uslozhnyat' matematicheskuyu model', opisyvayushuyu techenie gaza v kome komet, budem predpolagat', chto etot gaz sostoit iz neitral'nyh molekul s koncentraciei n_n (eto mogut byt' molekuly H₂O ili CO₂ , harakterizuyushie sostav dannogo kometnogo yadra) i ionov s koncentraciei n_i (kak vidno na ris. 3, eto mogut byt' iony H₃O⁺). Skorost' radial'nogo rasshireniya sootvetstvuyushih gazov budem oboznachat' $V_n$ i $V_i$ . Togda pri predpolozhenii o sfericheskoi simmetrii techeniya (sm. razdel 1) i nekotoryh drugih dopolnitel'nyh predpolozheniyah (v chastnosti, pri predpolozhenii $V_n$ = $V_i$ = $V_s$ = const) iz zakonov sohraneniya chisla chastic pri rasshirenii budem imet'

$n_n = n_s \left(\frac{R_n}{r}\right)^{2}\,, \qquad n_i = \frac{n_{s}R^{2}}{V_s\tau r}\,.$

(4)

Zdes' $\tau$ - srednee vremya svobodnogo probega neitral'noi molekuly dlya processa ionizacii, a $r$ - rasstoyanie ot kometnogo yadra. Indeksom $s$ , kak i v razdele 1, otmecheno znachenie sootvetstvuyushego parametra na poverhnosti yadra. Iz (4) vidno, chto koncentraciya neitral'nyh molekul izmenyaetsya obratno proporcional'no kvadratu rasstoyaniya ot yadra, kak i polagaetsya pri svobodnom sfericheski-simmetrichnom rasshirenii s postoyannoi skorost'yu (effekty ionizacii dlya neitral'nyh molekul nesushestvenny pri $n_n\gg n_i$ ), a koncentraciya ionov izmenyaetsya obratno proporcional'no pervoi stepeni etogo rasstoyaniya (processy fotoionizacii privodyat k obrazovaniyu novyh ionov, to est' k sozdaniyu v kazhdoi tochke techeniya ih istochnikov).

Predpolozhenie o tom, chto skorost' ionov ravna skorosti neitralov, opravdanno tem, chto potok neitralov, isparyayushihsya s poverhnosti komety, nastol'ko velik, chto on uvlekaet za soboi sushestvenno men'shii potok ionov vsledstvie processov stolknovenii. Postoyanstvo zhe skorosti prinimaetsya vsledstvie sverhzvukovogo rasshireniya gaza (pri dostatochno bol'shih sverhzvukovyh skorostyah edinstvennaya sila, deistvuyushaya na gaz, a imenno gradient davleniya, ne yavlyaetsya sushestvennoi). Zdes' sleduet zametit', chto pri rasshirenii gaz stanovitsya vse bolee i bolee razrezhennym. Eto privodit k tomu, chto na nekotorom rasstoyanii ot yadra, opredelyaemom formuloi

$R_c =\frac{1}{n_n Q_{in}}\,,$

(5)

processy stolknovenii mezhdu ionami i molekulami stanovyatsya nesushestvennymi i oni vedut sebya kak nevzaimodeistvuyushie gazy. Etot fakt ochen' vazhen dlya postroeniya modeli vzaimodeistviya kometnyh atmosfer s solnechnym vetrom.

4. Vzaimodeistvie kometnyh ionosfer s solnechnym vetrom

Solnechnyi veter predstavlyaet soboi sverhzvukovoi potok polnost'yu ionizovannogo vodoroda, letyashego ot Solnca v srednem so skorost'yu 400 km/s i temperaturoi v desyatki tysyach gradusov. V raione orbity Zemli koncentraciya protonov solnechnogo vetra ravna primerno 10 sm^-3. Dlya potoka solnechnogo vetra razvitaya kometnaya atmosfera yavlyaetsya prepyatstviem, kotoroe vyzyvaet v nem sushestvennye vozmusheniya. Voznikaet kartina techeniya, podobnaya toi, kotoraya podrobno izlozhena v nashei predydushei stat'e [7] pri opisanii vzaimodeistviya solnechnogo vetra s lokal'noi mezhzvezdnoi sredoi, gde sverhzvukovym istochnikom, obtekaemym postupatel'nym potokom mezhzvezdnoi sredy, bylo Solnce. V rassmatrivaemoi zhe v nastoyashei stat'e probleme takoi istochnik, obtekaemyi solnechnym vetrom, - kometnoe yadro.

Interesno, chto neitral'naya i ionizovannaya komponenty kometnogo gaza po-raznomu vozdeistvuyut na solnechnyi veter, o chem my uzhe upomyanuli v razdele 2. Vzaimodeistvie potoka kometnyh ionov s solnechnym vetrom proishodit v sootvetstvii s vzaimodeistviem dvuh sploshnyh sred, to est' takoe vzaimodeistvie mozhno opisat' v ramkah gidrodinamicheskih uravnenii Eilera [8]),. V rezul'tate obrazuetsya kartina techeniya, izobrazhennaya na ris. 4. Na etom risunke oboznacheno: BS - golovnaya udarnaya volna, cherez kotoruyu solnechnyi veter tormozitsya ot sverhzvukovoi skorosti k dozvukovoi vsledstvie ego tormozheniya na kometnom gaze, a IS - vnutrennyaya udarnaya volna, na kotoroi sverhzvukovoi potok kometnyh ionov (sm. razdel 3) tormozitsya do dozvukovyh skorostei kak sledstvie ih zamedleniya potokom solnechnogo vetra. Solnechnyi veter otdelyaetsya ot potoka kometnyh ionov tangencial'nym (inogda ego nazyvayut kontaktnym) razryvom, oboznachennym na ris. 4 cherez CD. Sleduet zametit', chto razryvy BS, IS i CD obrazuyutsya tol'ko pri vzaimodeistvii sred, kotorye mozhno schitat' sploshnymi. Cherez kontaktnyi razryv ne mogut prosachivat'sya ni kometnye iony i elektrony v solnechnyi veter, ni protony i elektrony solnechnogo vetra v kometnuyu ionosferu. Na ris. 4 etot fakt otobrazhaetsya tem, chto linii toka solnechnogo vetra i kometnyh ionov narisovany otklonennymi etim razryvom, stanovyas' parallel'nymi ego poverhnosti. S matematicheskoi tochki zreniya na kontaktnoi poverhnosti vypolnyayutsya usloviya ravenstva nulyu normal'nyh komponent skorosti i ravenstvo davlenii obeih ionizovannyh sred. Dlya opredeleniya formy i kometocentricheskogo rasstoyaniya do poverhnosti CD neobhodimo uproshennoe model'noe predstavlenie, rassmotrennoe v razdele 3.

Ris. 4.Kachestvennaya kartina obtekaniya kometnoi atmosfery solnechnym vetrom. BS - golovnaya udarnaya volna, obrazovannaya v solnechnom vetre, IS - vnutrennyaya udarnaya volna, obrazovannaya v vytekayushem gaze ionov kometnogo proishozhdeniya, CD - kontaktnaya poverhnost', otdelyayushaya gaz kometnyh ionov ot potoka solnechnogo vetra. Shtrihovye linii pokazyvayut traektorii neitral'nyh chastic kometnogo proishozhdeniya, R_c - rasstoyanie ot kometnogo yadra, nachinaya s kotorogo neitral'nye molekuly komety stanovyatsya nezavisimymi ot ionov

Kakova zhe rol' neitral'nyh molekul, vytekayushih iz kometnogo yadra, v probleme vzaimodeistviya solnechnogo vetra s kometnymi atmosferami? Kak my uzhe upomyanuli v razdele 3, neitral'nye molekuly imeyut dlinu svobodnogo probega mnogo bol'she dliny svobodnogo probega ionov pri ih vzaimodeistvii s solnechnym vetrom. Pri etom kometnye neitraly mogut svobodno pronikat' v solnechnyi veter cherez kontaktnuyu poverhnost' CD. Potok neitral'nyh molekul nel'zya schitat' sploshnoi sredoi. Na vsei trasse ih prodvizheniya v solnechnyi veter oni fotoionizuyutsya solnechnoi radiaciei. Ih fotoionizaciya v oblasti vne kontaktnogo razryva CD privodit k tomu, chto vnov' obrazovavshiesya iony zahvatyvayutsya solnechnym vetrom, privodya k izmeneniyu massy, impul'sa i energii poslednego. Takoi process poluchil nazvanie "nagruzhenie" solnechnogo vetra (eto nazvanie zakrepilos' v svyazi s tem, chto massa kometnogo iona sushestvenno prevoshodit massu protona). Takim obrazom, solnechnyi veter vblizi komety predstavlyaet soboi elektronno-protonnyi gaz (ili, soglasno prinyatoi v fizike terminologii, polnost'yu ionizovannuyu vodorodnuyu plazmu), kotoryi zagryaznen kometnymi ionami.

V rezul'tate vzaimodeistvie solnechnogo vetra s kometnoi atmosferoi mozhno predstavit' kak gidrodinamicheskoe vzaimodeistvie sverhzvukovogo istochnika ionov (kometa) s postupatel'nym sverhzvukovym potokom zagryaznennogo kometnymi ionami solnechnogo vetra. Takoi scenarii rassmatrivaemogo fizicheskogo processa predlozhen v klassicheskoi rabote Birmana, Brosovskogo i Shmidta [9]. Oni zhe sformulirovali i matematicheskuyu postanovku rassmatrivaemoi zdes' problemy, predlozhiv opisyvat' dvizhenie solnechnogo vetra vblizi komet gidrodinamicheskimi uravneniyami, uchityvayushimi dopolnitel'nye istochniki massy, impul'sa i energii vsledstvie opisannogo vyshe processa nagruzheniya. Model', predlozhennaya v rabote [9], verna tol'ko v tom sluchae, kogda radius rasshepleniya kometnyh ionov i neitralov Rc , opredelyaemyi formuloi (5), men'she rasstoyaniya do vnutrennei udarnoi volny IS.

Postavlennaya v [9] zadacha byla polnost'yu reshena chislenno v rabote [1] za polgoda do vypolneniya proektov issledovaniya komety Galleya pri pomoshi kosmicheskih apparatov v marte 1986 goda. Dlya predskazaniya rezul'tatov pryamyh izmerenii pri pomoshi kosmicheskih apparatov avtory [1] ispol'zovali model' istecheniya gaza iz kometnogo yadra, rassmotrennuyu v razdele 3. Pri etom oni rassmotreli osesimmetrichnoe priblizhenie, kotoroe verno tol'ko v sluchae sfericheski-simmetrichnogo istecheniya gaza iz kometnogo yadra, a dlya rascheta istochnikov massy, impul'sa i energii v gidrodinamicheskih uravneniyah ispol'zovali formuly (4). Rezul'taty teoreticheskoi modeli, predlozhennoi v [9] i rasschitannoi v [1], ochen' horosho sovpali s eksperimental'nymi dannymi. Eto sravnenie rassmatrivaetsya v sleduyushem razdele.

5. Chto predskazala teoriya pered poletami kosmicheskih apparatov k komete Galleya v marte 1986 goda

Uchenye, zanimavshiesya izucheniem komet, s neterpeniem zhdali ocherednogo poyavleniya vblizi Zemli komety Galleya v marte 1986 goda (v poslednii raz ee naibol'shee sblizhenie s nashei planetoi proizoshlo v 1910 godu). Eto ozhidanie ob'yasnyalos' eshe i tem, chto poyavilas' vozmozhnost' issledovaniya komety pri pomoshi kosmicheskih apparatov, kotorye dolzhny byli proiti v neposredstvennoi blizosti ot nee i provesti pryamye izmereniya v ee okrestnosti, poskol'ku nazemnymi sredstvami nevozmozhno nablyudat' vozmusheniya, kotorye vnosit kometnaya atmosfera v komponenty solnechnogo vetra, tak zhe kak i vozmusheniya, vnosimye solnechnym vetrom v vytekayushuyu kometnuyu atmosferu.

Otsutstvie eksperimental'nyh dannyh po rassmatrivaemoi probleme privelo k tomu, chto pered zapuskom kosmicheskih apparatov k komete Galleya v marte 1986 goda centr tyazhesti teoreticheskih issledovanii po obtekaniyu kometnyh atmosfer solnechnym vetrom lezhal v oblasti predskazanii teh fizicheskih processov, kotorye dolzhny byli obnaruzhit' pribory pri priblizhenii k komete. V razdelah 2-4 my kratko rassmotreli sushestvovavshie modeli istecheniya gaza iz kometnogo yadra, tak zhe kak i model' obtekaniya komet solnechnym vetrom, predlozhennuyu v [9].

Kakie zhe yavleniya predskazyvala teoriya? Kak bylo rasskazano v razdele 3, teoreticheskie raschety pokazali, chto pri obtekanii komety Galleya solnechnym vetrom dolzhny obrazovat'sya golovnaya udarnaya volna BS, kontaktnyi razryv CD i vnutrennyaya udarnaya volna IS (sm. ris. 4). Pri etom solnechnyi veter dolzhen tormozit'sya zadolgo do udarnoi volny BS (oblast' IV na ris. 4) vsledstvie ego nagruzheniya ionami kometnogo proishozhdeniya (sm. razdel 4), a kometocentricheskoe rasstoyanie BS na 2-3 poryadka velichiny mozhet prevoshodit' takoe zhe rasstoyanie do kontaktnogo razryva CD. V oblasti III (sm. ris. 4) zagryaznennyi solnechnyi veter dostatochno rezko razogrevaetsya i zamedlyaetsya pri perehode cherez golovnuyu udarnuyu volnu BS.

Esli by podtverzhdalas' gipoteza o sverhzvukovom istechenii kometnogo gaza s poverhnosti yadra, to dolzhna obrazovat'sya takzhe udarnaya volna IS v potoke kometnyh ionov. Do etoi udarnoi volny (v oblasti I na ris. 4) sverhzvukovoi potok kometnogo gaza ne chuvstvuet prisutstviya solnechnogo vetra (nalichie granicy CD chuvstvuet tol'ko dozvukovaya oblast' II na ris. 4). Kolichestvennye ocenki real'nyh rasstoyanii do poverhnostei BS, CD i IS v sil'noi stepeni zavisyat ot parametra G, harakterizuyushego kolichestvo molekul, pokidayushih kometnoe yadro v edinicu vremeni. Etot parametr opredelyaetsya formuloi

$G=4\pi R^{2}_{n}n_{s}V_{s}\,.$

(6)

Iz teorii bylo takzhe yasno, chto golovnaya udarnaya volna voznikaet ne kak sledstvie obtekaniya sverhzvukovym potokom kakogo-libo prepyatstviya (naprimer, kryla sverhzvukovogo samoleta ili granicy razdela dvuh vzaimodeistvuyushih sploshnyh sred CD, kak na ris. 4), a kak rezul'tat tormozheniya solnechnogo vetra do dozvukovyh skorostei vsledstvie zahvata vnov' obrazovavshihsya kometnyh ionov. Iz teoreticheskih raschetov i ocenok velichiny G ~ 10³⁰ s^-1 dlya komety Galleya sledovalo, chto golovnaya udarnaya volna BS nahoditsya na rasstoyanii poryadka 10⁶ km ot poverhnosti yadra, a kontaktnyi razryv CD - na rasstoyanii poryadka 10⁴ km.

Na ris. 5 izobrazheny traektorii kosmicheskih apparatov "Vega-1", "Vega-2", "Dzhotto", "Suissei" i "Sakigake", proletavshih okolo komety Galleya v marte 1986 goda. Interesno, chto vse apparaty proletali c podvetrennoi storony (so storony nabegayushego na kometu solnechnogo vetra), kotoraya naibolee horosho poddaetsya teoreticheskim raschetam. Kak vidno na ris. 5, naibolee blizko k komete proletel apparat "Dzhotto" (rasstoyanie ego naibol'shego sblizheniya s kometoi bylo okolo 600 km), i on, ochevidno, peresek kak golovnuyu udarnuyu volnu, tak i kontaktnyi razryv. Maksimal'noe zhe sblizhenie apparatov "Vega" sostavlyalo primerno 8-9 tys. km, i oni hotya i peresekli golovnuyu udarnuyu volnu, no ne zametili peresecheniya kontaktnogo razryva. Apparat "Suissei" peresekal tol'ko golovnuyu udarnuyu volnu, poskol'ku rasstoyanie ego maksimal'nogo sblizheniya s kometoi Galleya bylo primerno 150 tys. km.

Ris. 5. Traektorii kosmicheskih apparatov, kotorye issledovali kometu Galleya v marte 1986 goda. CD - poverhnost', izobrazhennaya na ris. 4.

Nizhe predstavleny rezul'taty sravneniya predskazanii teorii soglasno raschetam, provedennym v [1] (sm. [2]-[4]) s dannymi, poluchennymi v eksperimentah po issledovaniyu komety Galleya v marte 1986 goda.

Na ris. 6 sravnivayutsya dannye teoreticheskoi modeli po polozheniyu i forme golovnoi udarnoi volny BS dlya raznyh znachenii parametrov, opredelyayushih sostoyanie nevozmushennogo solnechnogo vetra vo vremya peresecheniya golovnoi udarnoi volny apparatami "Suissei", "Vega-1" i "Vega-2" (sootvetstvenno 3, 6 i 9 marta) i "Dzhotto" (14 marta). Vidno ochen' horoshee sovpadenie predskazanii teorii i eksperimenta.

Ris. 6. Teoreticheskie polozheniya golovnoi udarnoi volny BS v marte 1986 goda: 6 marta v moment prohozhdeniya mimo komety Galleya apparatov "Vega" i "Suissei" (krivaya 1) i 14 marta vo vremya prohozhdeniya mimo komety Galleya apparata "Dzhotto" (krivaya 2 ). Na traektoriyah sootvetstvuyushih kosmicheskih apparatov otmecheny momenty registracii BS ustanovlennymi na nih priborami

Na ris. 7 eksperimental'noe raspredelenie skorosti solnechnogo vetra vdol' traektorii "Suissei" sravnivaetsya s dannymi teorii (sploshnaya krivaya). Polucheno takzhe ochen' horoshee sovpadenie. Dazhe skachok skorosti v golovnoi udarnoi volne (kak vidno na ris. 7, etot skachok byl zafiksirovan apparatom primerno v 15^h UT) sovpal po velichine i polozheniyu na vyhodnoi chasti traektorii "Suissei" (na vhodnom uchastke pribor, izmeryavshii skorost', ne rabotal).

Ris. 7. Teoreticheskoe (sploshnaya liniya) i eksperimental'no izmerennoe 8 marta 1986 goda vdol' traektorii "Suissei" (tochki) izmenenie skorosti solnechnogo vetra (UT - vsemirnoe vremya)

Podrobnoe sravnenie teorii i eksperimenta dlya raznyh uchastkov traektorii apparatov, proletavshih mimo komety Galleya v marte 1986 goda, est' v rabote [3]. Ne vse sravneniya privodyat k horoshemu sovpadeniyu. Naibol'shii interes predstavlyayut nesovpadeniya, poskol'ku imenno oni stimuliruyut teoretikov utochnyat' model'nye predstavleniya o fizike proishodyashih okolo komet yavlenii. Tak, naprimer, v modeli, rasschitannoi v [1], takoe nesovpadenie imeet mesto po polozheniyu kontaktnogo razryva CD (v teorii on nahoditsya ot komety raza v poltora dal'she, chem v eksperimente). Eto rashozhdenie mozhno, naprimer, ob'yasnit' vliyaniem mezhplanetnogo magnitnogo polya, kotoroe ne uchityvalos' v [1]. Krome togo, uchenye, pribory kotoryh stoyali na naibolee priblizivshemsya k komete Galleya apparate "Dzhotto", utverzhdayut, chto oni ne obnaruzhili vnutrennei udarnoi volny IS. Odnako interpretaciya eksperimental'nyh dannyh, poluchennyh na "Dzhotto", privela avtorov raboty [3] k vyvodu, chto vnutrennyaya udarnaya volna vse-taki obnaruzhena v etih eksperimentah.

Nesmotrya na imeyushiesya kolichestvennye rashozhdeniya mezhdu teoriei i eksperimentom, mozhno tverdo utverzhdat', chto teoreticheskie predstavleniya o haraktere vzaimodeistviya solnechnogo vetra s kometnymi atmosferami byli v osnovnom pravil'nymi, chto i dokazali eksperimental'nye dannye, poluchennye pri pomoshi kosmicheskih apparatov v marte 1986 goda. Interesno, chto dannye po polozheniyu udarnoi volny okolo komety Grigga-Shellerupa, poluchennye apparatom "Dzhotto" 10 iyulya 1992 goda (vtoraya kometa, s kotoroi vstretilsya apparat posle vstrechi s kometoi Galleya), byli ispol'zovany zatem, chtoby ocenit' ploho izmeryaemyi v eksperimente parametr, a imenno kolichestvo molekul, pokidayushih ee poverhnost' v edinicu vremeni. Etot parametr opredelyaetsya formuloi (6).

Nado otmetit', chto vzaimodeistvie solnechnogo vetra s kometnoi atmosferoi privodit k tomu, chto kometnye iony, obrazovavshiesya v oblastyah I i II, otklonyayutsya v hvost komety. Odnako takie iony sostavlyayut lish' neznachitel'nuyu chast' kometnogo hvosta. Moshnyi hvost u aktivnyh komet, kotoryi chasto vidim i nevooruzhennym glazom, sozdaetsya v osnovnom otkloneniem kometnyh molekul vo vseh oblastyah I-IV radiacionnym davleniem solnechnogo izlucheniya.

Literatura


[1]	Baranov V.B., Lebedev M.G. // Pis'ma v "Astron. zhurn.". 1986. T. 12. S. 551.
[2]	Baranov V.B., Lebedev M.G. // Astrophys. Space Sci. 1988. Vol. 147. P. 69.
[3]	Baranov V.B., Lebedev M.G. // Astron. Astrophys. 1993. Vol. 273. P. 695.
[4]	Baranov V.B. Astrophysics and Space Physics Review. L.: Gordon and Breach, 1995. Vol. 9. Pt. 3.
[5]	Houpis H., Mendis D. // Astrophys. J. 1981. Vol. 243. P. 1088.
[6]	Marconi M., Mendis D. // Ibid. 1982. Vol. 260. P. 386.
[7]	Baranov V.B. Vliyanie mezhzvezdnoi sredy na stroenie geliosfery // Sorosovskii Obrazovatel'nyi Zhurnal. 1996. No 11. S. 73.
[8]	Baranov V.B., Krasnobaev K.V. Gidrodinamicheskaya teoriya kosmicheskoi plazmy. M.: Nauka, 1977.
[9]	Biermann L., Brosowski B., Schmidt H.U. // Solar Phys. 1967. Vol. 1. P. 254.

Publikacii s klyuchevymi slovami: komety - KA Dzhotto - KA Vega - kometnye hvosty - kometa Galleya - Solnechnyi veter Publikacii so slovami: komety - KA Dzhotto - KA Vega - kometnye hvosty - kometa Galleya - Solnechnyi veter
Sm. takzhe: Neobychnye hvosty komety Czyczin'shan'-ATLAS Kometa Czyczin'shan'-ATLAS nad Dolomitovymi Al'pami Kometa Czyczin'shan'-ATLAS nad Kaliforniei Kometa Czyczin'shan'-ATLAS uletaet Pochti vsya kometa Czyczin'shan'-ATLAS "Klipper" i kometa Kakimi budut hvosty komety Czyczin'shan'-ATLAS? Vse publikacii na tu zhe temu >>

Obsudit' etu publikaciyu

Versiya dlya pechati

Astrometriya - Astronomicheskie instrumenty - Astronomicheskoe obrazovanie - Astrofizika - Istoriya astronomii - Kosmonavtika, issledovanie kosmosa - Lyubitel'skaya astronomiya - Planety i Solnechnaya sistema - Solnce