Реферат: Кометы Космическая опасность

неба и становятся невидимыми. Наиболее рельефно галосы наблюдались в головах

ярких комет.

Впервые галосы были обнаружены Шмидтом в голове яркой кометы Донаты

(1858). После этого галосы были обнаружены в кометах Поиса-Брукса (1884),

Галлея (1910), Олкола (1963) и Хонда (1955).

Галосообразование, как показывают наблюдения, обычно происходят в период сильных

изменений яркости кометы - вспышек блеска. Особенно наглядно эта связь

проявилась в комете 1892, открытой Холмсом в Лондоне 6 ноября 1892 г.

во время сильной вспышки блеска, так как комета уже прошла перигелий (на 4,5

месяца раньше, чем она была открыта). При этом наблюдалось постепенное

расширение головы и падение поверхностной яркости. Спектральные наблюдения

галосов комет Галлея (1910) и Олкока (1963) указывали на присутствие в галосах

излучений СN и С2 Однако, в отличие от молекул СN и С2,

наблюдавшихся в других структурных образованиях комет, например, оболочках,

которые заметным образом подвергаются отталкивательным силам, на те же молекулы

в галосах лучевое давление не действует. С.В.Орлов предложил считать

галосы аномальным образованием в кометах.

Так как галосы всегда обладают сферической симметрией, их формирование должно

происходить без участия магнитных сил. Л.М.Лульман предложил механизм

образования галоса при условии сверхзвукового истечения вещества из ядра. В

таком потоке по законам гидродинамически образуется скачок плотности

(аналогичный наблюдавшимся скачкам плотности при сверхзвуковом истечении газа

из сопла Лаваля). Этот скачок плотности и будет наблюдаться как галос. Такой

механизм позволяет объяснить, почему галосы не подвергаются действию лучевого

давления (эффект Орлова). Если галос представляет собой скачок плотности в

сверхзвуковом потоке кометного газа, то он будет являться волновым

образованием, на которое лучевое давление не действует.

Лучи: Довольно часто в хвостах I типа наблюдаются тонкие

прямолинейные лучи, выходящие под углами из ядра и составляющие в совокупности

хвост.

В спектре лучистых хвостов в основном наблюдаются линии ионов СО, N и др.,

непрерывный спектр отсутствует. Таким образом, лучи - это плазменные

образования. Поэтому наиболее вероятно, что лучи представляют собой кометную

плазму, сжатую в волокна под действием внешних магнитных и электрических

полей. Волокнистая структура космической плазмы - чрезвычайно

распространенное явление в природе: волокнистая структура межзвездной среды и

туманностей, лучи и тонкие волокна солнечной короны, лучевые формы полярных

сияний и, наконец, лучевые системы кометных хвостов.

Большой интерес вызывает образование лучевой системы с чрезвычайно

интенсивными волнистыми струями, наблюдавшиеся у кометы Беннета (1970) 2

апреля 1970 года. В ночь с 3 на 4 апреля структура хвоста стала ещё сложнее и

запутаннее; в конце концов весьма активный процесс, происходивший в указанное

время в атмосфере кометы Беннета, увенчался образованием красивого пламенного

облачка, обладавшего сложной волокнистой структурой.

Иногда наблюдаются лучевые системы, связанные с облачными образованиями,

движущимися с большими ускорениями в хвосте кометы. Вместе с облачными

образованиями двигались и их лучевые системы. Например, у кометы Морхауза

(1908) 15-17 октября 1908 года наблюдались одновременно лучевые системы,

выходящие из головы кометы и из нескольких облачных образований, напоминающих

собой как бы отдельные кометные головы. Альвен предложил следующий

механизм образования лучевых систем в хвостах комет. Солнечный ветер с

"вмороженными" в него магнитными силовыми линиями, сталкиваясь с нейтральной

головой кометы, ионизует часть газа. На ионизованной коме происходит торможение

солнечного ветра, и силовые линии начинают изгибаться, повторяя контуры головы.

При этом некоторые силовые линии загибаются почти на 90° к начальному

направлению поля. Так как кометные ионы могут распространяться только вдоль

силовых линий, последние постепенно материализуются и становятся видимыми как

лучи. Движение кометных ионов вдоль силовых линий объясняет также появление

спиралеобразных, винтовых лучей.

Лучевые структуры в хвосте I типа могут представлять собой токовую систему,

генерируемую вихревыми магнитными полями, переносимыми солнечным ветром.

Вследствие гигантских размеров ионизованных хвостов электрические токи в них

будут определяться самоиндукцией. Возникновение лучей (токов) может быть

связано с "падающей" характеристикой, т.е. электрическое поле, необходимое

для поддержания тока, будет убывающей функцией. При постоянстве полной

плотности тока локализация токов в лучах требует более слабого поля, чем

тогда, когда ток равномерно заполняет весь объём хвоста кометы. Таким

образом, развитие лучей, по которым распространяются токи, делает

электрическое поле в хвосте минимальным.

Оболочки: Явление сжимающихся оболочек было обнаружено в комете

Морхауза (1908). Как показали наблюдения А.Эддингтона, оболочки

возникали приблизительно на одном и том же расстоянии от ядра, причём сначала

появлялись вершины оболочек с интервалами порядка нескольких десятков минут,

так что можно было одновременно наблюдать в голове кометы сразу несколько

оболочек. Как только появлялся сгусток свечения (вершина), он сразу же начинал

двигаться к ядру, становясь по мере приближения все резче и протяжённее. При

этом у оболочек начинали развиваться боковые ветви (одна или две). Вблизи ядра

оболочка становилась размытой. Полное формирование дуги из оболочки происходило

в интервале десятков минут или часа. Форма оболочки в течение всего времени

развития оставалась сферической. Боковые ветви оболочки (лучи) уходили в хвост

к оси хвоста, сливаясь затем с главным хвостом 1 типа, расположенным вдоль

радиуса-вектора. Оболочки целиком состояли из ионов СО.

В других кометах столь явно, как в комете Морхауза, явление сжимающихся

оболочек не наблюдалось, однако, об их образовании в таких кометах, как

комета Даниэля (1907), Финслера (1937), Маркоса (1957) Тато-Сато-Косака

(1969), Беннета (1970) и др., можно судить по наличию остатков таких оболочек

в виде лучей, формирующих характерную "луковичную" структуру. Сжимающиеся

плазменные оболочки формируются под воздействием солнечного ветра, однако,

физический механизм их образования до конца не ясен.

Происхождением и формой кометных хвостов учёные заинтересовались давно.

Например, И. Ньютон, наблюдая за яркой кометой 1680 г. пришёл к выводу,

что хвост должен развиваться следующим образом: "Приближаясь к Солнцу, вещество

головы кометы постепенно нагревается и начинает испаряться в эфирную среду,

заполняющую межпланетное пространство, которая таким образом и сама

нагревается. От нагревания межпланетный эфир становится разрежённым и движется

по направлению от Солнца, увлекая за собой кометные испарения, подобно тому,

как горячий воздух, поднимаясь из печных труб, увлекает за собой частицы

топлива и пара. С механической точки зрения кометные испарения отталкиваются от

Солнца и движутся, сохраняя орбитальную скорость кометы". Исходя из такой

мысли, И. Ньютон рассчитал, что хвост кометы 1680 г., который он наблюдал 25

января, мог сформироваться за 45 суток.

Не оставил без внимания кометы и М.В. Ломоносов. Наблюдая большую комету

1744 г., он писал: "На теневой стороне ядра холод, на солнечной - жар. Около

тени сильное движение атмосферы и трение...", а это является той причиной, по

которой "возбуждается и рождается великая электрическая сила. Хвосты комет

здесь почитаются за одно с северным сиянием".

Ф. Бессель, исследуя форму хвоста кометы Галлея в её появлении в 1835 г.,

впервые объяснил её действие отталкивательных сил, исходящих из Солнца и

изменяющихся обратно пропорционально квадрату гелиоцентрического расстояния. Им

же была введена величина отталкивательного ускорения, численное значение

которой показывало, во сколько раз сила отталкивания превышает силу тяготения.

Но наиболее разработанную механическую теорию кометных хвостов построил Ф.А.

Бредихин. Он проанализировал несколько десятков хвостов комет различной

величины и обнаружил, что их можно разбить на три обособленные группы.

I тип. По внешнему виду - это прямолинейные хвосты, стелющиеся по

продолженному радиусу-вектору; очертания их неправильные, часто винтовой формы;

кроме того, хвосты I типа могут состоять из набора отдельных струек или лучей;

вдоль таких хвостов с огромным ускорением проносятся сгустки ионизованной

кометной материи - облачные образования.

II тип. Сюда относятся хвосты, по внешнему виду напоминающие

сильно изогнутый конус и воловий рог. В конце таких хвостов часто наблюдаются

полоски дуплетного строения, направленные к ядру кометы. Эти полоски получили

название синхрон, так как предполагалось, что они образуются при одновременном

(синхронном) выбросе облака вещества из ядра кометы, частицы которого движутся

под действием различных отталкивательных сил. Если набор ускорений, с которыми

движутся частицы этого облака, начинается от нуля, то и синхрона начинается

непосредственно от ядра. Серия последовательных выбросов приводит к образованию

нескольких синхрон в хвосте кометы. Синхроны, не выходящие из ядра называются

концевыми синхронами. Свечение хвостов II типа характеризуется непрерывным

спектром.

III тип. По внешнему виду - это короткие прямые хвосты,

представляющие собой одну полную синхрону, начинающуюся непосредственно от

ядра; при этом угол отклонения оси хвоста от продолженного радиуса-вектора,

т.е. линии, соединяющей Солнце с ядром кометы непрерывно увеличивается.

Принцип механической теории, положенной в основу деления хвостов на типы и

основанной на различии в силе лучевого давления, действующего на хвосты,

оказался совершенно не применимым к ионизованным хвостам, или хвостам 1 типа по

Бредихину. В дальнейшем над усовершенствованием Бредихинской классификации

хвостов работали С.В. Орлов, К. Вурм и др. Но обойти все трудности

механической теории, в основе которой лежала результирующая сила двух взаимно

противоположных сил, лучевого давления и тяготения, им так и не удалось.

К особому типу относились аномальные хвосты, направленные прямо к Солнцу. Они

состоят из крупных пылевых частиц размером 0,1-1 мм, на которые действие

светового давления намного меньше силы притяжения к Солнцу. Среди аномальных

хвостов комет встречаются псевдоаномальные хвосты, направленные к Солнцу и

имеющие значительную протяжённость. Такие хвосты наблюдались, например, у

комет 1882г. и Аренда-Ролана (1957) Однако, их направленность к Солнцу

объяснялась условиями проектирования, а не реальным движением крупных частиц

к Солнцу. Особенно этот эффект становится заметным, когда Земля проходит

через плоскость орбиты кометы, и земной наблюдатель видит кометное вещество,

рассредоточенное вдоль её орбиты. Орбита как бы материализуется и часть

орбиты, направленная к Солнцу, представляется ему в виде прямого хвоста. Если

бы это был настоящий аномальный хвост, состоящий из крупных частиц, то по

законам Кеплера эти частицы двигались бы с различными скоростями, вследствие

чего хвост казался бы искривленным, как у кометы Аренда-Ролана.

Так как механическая теория Бредихина имеет ограниченное применение и не в

состоянии объяснить многие особенности голов и хвостов комет (например, форму

головы - цепная линия, большие ускорения в хвостах, ориентацию хвостов I типа и

т.д.), классификацию кометных форм следует производить на другой основе.

Например, хвосты можно классифицировать в зависимости от агрегатного состояния

вещества, как это было предложено М. Белтоном: I) чистый I тип -

плазменные хвосты и 2) чистый II тип - пылевые хвосты. Конечно, термин "чистый"

здесь употреблён в относительном смысле, так как хвосты I типа могут

накладываться на хвосты II типа, вклад которых в оптику и динамику общего

хвоста несуществен. Однако, встречается промежуточный тип хвостов, когда

развиваются оба типа хвостов к равноправным вкладам в оптику и динамику. Такие

хвосты М.Белтон предлагает называть хвостами смешанного типа. Так как хвосты

комет эволюционируют вследствие меняющихся физических условий в межпланетном

пространстве, некоторые кометы могут последовательно обладать всеми указанными

типами хвостов. Огромное разнообразие кометных хвостов ещё требует более

детального обобщения всех их особенностей: динамических, кинематических,

химических, агрегатных, структурных и др., и создания на этой основе более

строгой научной классификации, чем рассмотренные выше.

4. Кометные орбиты

Большие кометы с хвостами,

далеко простиравшимися по небу, наблюдались с древнейших времен. Движение комет

по небу объяснил впервые Эдмунд 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.

Согласно результатам исследований Ньютона, кометы движутся либо по

эллиптическим, либо по параболическим, либо по гиперболическим орбитам,

причем в фокусе каждой орбиты находится Солнце. 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. Элементы

орбиты можно определить, если есть не менее трех наблюдений кометы. И без

учета возмущающего действия на комету притяжения со стороны других тел

Солнечной системы, задача нахождения этих элементов, в общем, кажется не

столь сложной. Если же на практике по нескольким наблюдениям определить

орбиту кометы и предвычислить ее эфемериду (т. е. положение ее на небе на

период видимости), в следующее возвращение кометы к Солнцу ее можно либо

вообще не найти, либо, случайно «переоткрыв» ее, увидеть, что элементы орбиты

значительно изменились под влиянием гравитационных возмущений со стороны

больших планет Солнечной системы. Дело в том, что вычисленная по нескольким

наблюдениям комета без учета возмущений со стороны планет эллиптическая,

параболическая или гиперболическая орбита – это так называемая оскулирующая

орбита кометы, подчас значительно отличающаяся от реальной, по которой комета

движется среди планет Солнечной системы. На практике оскулирующая орбита

кометы пересчитывается на все более отдаленные в прошлое моменты времени с

постоянным учетом гравитационных возмущений. Процедура пересчета элементов

кометной орбиты производится до того момента, когда орбита окажется не

подверженной влиянию со стороны больших планет. Такая орбита называется

первичной. Первичная орбита кометы, будучи одной из кривых конического

сечения (окружность, эллипс, парабола или гипербола), позволяет судить о

принадлежности кометы к Солнечной системе. Большинство первичных кометных

орбит – эллиптические, т. е. большинство комет - члены нашей Солнечной

системы. Но стали ли они членами Солнечной системы, придя из межзвездных

пространств, или всегда принадлежали к семейству планет Солнца? В каждом

конкретном случае нужно специальное исследование.

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.

5. СПЕКТР И ХИМИческий состав КОМЕТ.

При решении вопроса о происхождении комет нельзя обойтись без знания химического

состава вещества, из которого сложено кометное ядро. Казалось бы, что может

быть проще? Нужно сфотографировать побольше спектров комет, расшифровать их - и

химический состав кометных ядер нам сразу же станет известным. Однако, дело

обстоит не так просто, как кажется на первый взгляд. Спектр фотометрического

ядра может быть просто отражённым солнечным или эмиссионным молекулярным

спектром. Отражённый солнечный спектр является непрерывным и ничего не сообщает

о химическом составе той области, от которой он отразился - ядра или пылевой

атмосферы, окружающей ядро. Эмиссионный газовый спектр несёт информацию о

химическом составе газовой атмосферы, окружающей ядро, и тоже ничего не говорит

нам о химическом составе поверхностного слоя ядра, так как излучающие в видимой

области молекулы, такие как С2, СN, СH, ОН и др., являются

вторичными, дочерними молекулами - "обломками" более сложных молекул или

молекулярных комплексов, из которых складывается кометное ядро. Эти сложные

родительские молекулы, испаряясь в околоядерное пространство, быстро

подвергаются разрушительному действию солнечного ветра и фотонов или

распадаются или диссоциируются на более простые молекулы, эмиссионные спектры

которых и удаётся наблюдать от комет. Сами родительские молекулы дают

непрерывный спектр. Вопрос о родительских молекулах в кометных ядрах был

впервые поставлен Вурмом ещё в 30-х годах нашего века и дискутируется в

настоящее время. Ведь все кометные радикалы, эмиссии которых обнаруживаются в

кометных спектрах, являются химически активными молекулами и поэтому могут

сохранять свою стабильность в газовом агрегатном состоянии при достаточно

низких плотностях или в твердой фазе при низких температурах и в присутствии

инертного наполнителя, тормозящего химические реакции между радикалами и

другими молекулами. Радикалы, а также тугоплавкое вещество, тапа углерода, не

могут непосредственно испаряться с поверхности ядра. На расстоянии около 1 а.е.

от Солнца температура близка к комнатной, а мы знаем из повседневной жизни, что

углерод при такой температуре не испаряется. Следовательно, и радикалы, и

углерод, и другие молекулы, наблюдающиеся в атмосферах комет, входят в состав

более сложных родительских молекул, распад которых после испарения из ядра в

поле солнечной радиации приводит к образованию наблюдаемой в кометных

атмосферах совокупности радикалов и других молекул, а также ионов.

Окончательно проблема родительских молекул, из которых состоят кометные ядра,

возможно, будет разрешена только путем посылки космического аппарата к ядру

кометы, сближения и возможной посадки аппарата на ядро, на котором будет

произведён химический анализ кометного грунта или же кометное вещество,

набранное в стерильную капсулу, будет впоследствии доставлено на Землю, где и

будет произведен его окончательный анализ. Возможно на этот вопрос будет

решен в рамках проекта Deep Impact Spacecraft (см. ниже). Этот вопрос очень

важен, так как именно химизм ядер предопределяет необычно высокую активность

комет, способных из весьма малых по размерам ядер развивать гигантские

атмосферы и хвосты, превосходящие по своим размерам все известные тела в

Солнечной системе (оболочка и хвост некоторых комет достигают чудовищных

размеров. Текущий рекорд длины хвоста кометы – это хвост Великой кометы 1843.

Её хвост имел длину не менее 300 млн. км (диаметр головы ее несколько

превышал диаметр Солнца). Это значит, что если мысленно поместить саму комету

в центр Солнца, то хвост пересек бы орбиту Марса).

Первым наблюдал и описал спектр головы кометы итальянец Донати. На фоне

слабого непрерывного спектра кометы 1864 он увидел три широкие светящиеся

Страницы: 1, 2, 3