Немного теории

КОМЕТА, небольшое небесное тело, движущееся в межпланетном пространстве и обильно выделяющее газ при сближении с Солнцем. С кометами связаны разнообразные физические процессы, от сублимации (сухое испарение) льда до плазменных явлений. Кометы - это остатки формирования Солнечной системы, переходная ступень к межзвездному веществу. Наблюдение комет и даже их открытие нередко осуществляются любителями астрономии. Иногда кометы бывают столь яркими, что привлекают всеобщее внимание. В прошлом появление ярких комет вызывало у людей страх и служило источником вдохновения для художников и карикатуристов.

Движение и пространственное распределение.

Все или почти все кометы являются составными частями Солнечной системы. Они, как и планеты, подчиняются законам тяготения, но движутся весьма своеобразно. Все планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении (которое называют 'прямым' в отличие от 'обратного') по почти круговым орбитам, лежащим примерно в одной плоскости (эклиптики), а кометы движутся как в прямом, так и обратном направлениях по сильно вытянутым (эксцентричным) орбитам, наклоненным под различными углами к эклиптике. Именно характер движения сразу выдает комету.
Долгопериодические кометы (с орбитальным периодом более 200 лет) прилетают из областей, расположенных в тысячи раз дальше, чем самые удаленные планеты, причем их орбиты бывают наклонены под всевозможными углами. Короткопериодические кометы (период менее 200 лет) приходят из района внешних планет, двигаясь в прямом направлении по орбитам, лежащим недалеко от эклиптики. Вдали от Солнца кометы обычно не имеют 'хвостов', но иногда имеют еле видимую 'кому', окружающую 'ядро'; вместе их называют 'головой' кометы. С приближением к Солнцу голова увеличивается и появляется хвост.
Структура. В центре комы располагается ядро - твердое тело или конгломерат тел диаметром в несколько километров. Практически вся масса кометы сосредоточена в ее ядре; эта масса в миллиарды раз меньше земной. Согласно модели Ф.Уиппла, ядро кометы состоит из смеси различных льдов, в основном водяного льда с примесью замерзших углекислоты, аммиака и пыли. Эту модель подтверждают как астрономические наблюдения, так и прямые измерения с космических аппаратов вблизи ядер комет Галлея и Джакобини - Циннера в 1985-1986.
Когда комета приближается к Солнцу, ее ядро нагревается, и льды сублимируются, т.е. испаряются без плавления. Образовавшийся газ разлетается во все стороны от ядра, унося с собой пылинки и создавая кому. Разрушающиеся под действием солнечного света молекулы воды образуют вокруг ядра кометы огромную водородную корону. Помимо солнечного притяжения на разреженное вещество кометы действуют и отталкивающие силы, благодаря которым образуется хвост. На нейтральные молекулы, атомы и пылинки действует давление солнечного света, а на ионизованные молекулы и атомы сильнее влияет давление солнечного ветра.
Поведение частиц, формирующих хвост, стало значительно понятнее после прямого исследования комет в 1985-1986. Плазменный хвост, состоящий из заряженных частиц, имеет сложную магнитную структуру с двумя областями различной полярности. Если силы отталкивания неизмеримо малы по сравнению с силами притяжения, то хвост будет направлен практически точно от солнца (I тип). Небольшая излгнутость указывает на то, что силы притяжения только в десятки раз меньше сил отталкивания (II тип). Наконец, III тип хвоста образуется при примерно одинаковых силах притяжения и отталкивания (см. рисунок). Такую классификацию предложил русский астрофизик Бредихин Ф.А.(1831-1904). На представленных фотографиях хвосты комет характерны как раз для I и III типов. На обращенной к Солнцу стороне комы формируется лобовая ударная волна, проявляющая высокую плазменную активность.
Хотя в хвосте и коме заключено менее одной миллионной доли массы кометы, 99,9% света исходит именно из этих газовых образований, и только 0,1% - от ядра. Дело в том, что ядро очень компактно и к тому же имеет низкий коэффициент отражения (альбедо).
Потерянные кометой пылинки движутся по своим орбитам и, попадая в атмосферы планет, становятся причиной метеоров ('падающих звезд'). Большинство наблюдаемых нами метеоров связано именно с кометными частицами. Иногда разрушение комет носит более катастрофический характер. Открытая в 1826 комета Биелы в 1845 на глазах у наблюдателей разделилась на две части. Когда в 1852 эту комету видели в последний раз, куски ее ядра удалились друг от друга на миллионы километров. Деление ядра обычно предвещает полный распад кометы. В 1872 и 1885, когда комета Биелы, если бы с нею ничего не случилось, должна была пересекать орбиту Земли, наблюдались необычайно обильные метеорные дожди.
Иногда кометы разрушаются при сближении с планетами. 24 марта 1993 на обсерватории Маунт-Паломар в Калифорнии астрономы К. и Ю.Шумейкеры совместно с Д.Леви открыли недалеко от Юпитера комету с уже разрушенным ядром. Вычисления показали, что 9 июля 1992 комета Шумейкеров - Леви-9 (это уже девятая открытая ими комета) прошла вблизи Юпитера на расстоянии половины радиуса планеты от ее поверхности и была разорвана его притяжением более чем на 20 частей. До разрушения радиус ее ядра составлял ок. 20 км.
Растянувшись в цепочку, осколки кометы удалились от Юпитера по вытянутой орбите, а затем в июле 1994 вновь приблизились к нему и столкнулись с облачной поверхностью Юпитера.

Происхождение.

Ядра комет - это остатки первичного вещества Солнечной системы, составлявшего протопланетный диск. Поэтому их изучение помогает восстановить картину формирования планет, включая Землю. В принципе некоторые кометы могли бы приходить к нам из межзвездного пространства, но пока ни одна такая комета надежно не выявлена. Движение газа в хвостах комет показывает, что на него сильно влияют негравитационные силы. Свечение газа возбуждается солнечным излучением.

ГРАВИТАЦИЯ; ОРБИТЫ; СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА.

Орбита и скорость. Движение ядра кометы полностью определяется притяжением Солнца. Форма орбиты кометы, как и любого другого тела в Солнечной системе, зависит от ее скорости и расстояния до Солнца. Средняя скорость тела обратно пропорциональна квадратному корню из его среднего расстояния до Солнца (a). Если скорость всегда перпендикулярна радиусу-вектору, направленному от Солнца к телу, то орбита круговая, а скорость называют круговой скоростью (vc) на расстоянии a. Скорость ухода из гравитационного поля Солнца по параболической орбите (vp) в раз больше круговой скорости на этом расстоянии. Если скорость кометы меньше vp, то она движется вокруг Солнца по эллиптической орбите и никогда не покидает Солнечной системы. Но если скорость превосходит vp, то комета один раз проходит мимо Солнца и навсегда покидает его, двигаясь по гиперболической орбите. На расстоянии, которое отделяет Землю от Солнца, круговая скорость равна 29,8 км/с, а параболическая - 42,2 км/с. Вблизи Земли скорость кометы Энке равна 37,1 км/с, а скорость кометы Галлея - 41,6 км/с; именно поэтому комета Галлея уходит значительно дальше от Солнца, чем комета Энке.

Классификация кометных орбит.

Орбиты у большинства комет эллиптические, поэтому они принадлежат Солнечной системе. Правда, у многих комет это очень вытянутые эллипсы, близкие к параболе; по ним кометы уходят от Солнца очень далеко и надолго. Принято делить эллиптические орбиты комет на два основных типа: короткопериодические и долгопериодические (почти параболические). Пограничным считается орбитальный период в 200 лет.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ В ПРОСТРАНСТВЕ И ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Почти параболические кометы. К этому классу относятся многие кометы. Поскольку их периоды обращения составляют миллионы лет, в течение века в окрестности Солнца появляется лишь одна десятитысячная их часть. В 20 в. наблюдалось ок. 250 таких комет; следовательно, всего их миллионы. К тому же далеко не все кометы приближаются к Солнцу настолько, чтобы стать видимыми: если перигелий (ближайшая к Солнцу точка) орбиты кометы лежит за орбитой Юпитера, то заметить ее практически невозможно.
Учитывая это, в 1950 Ян Оорт предположил, что пространство вокруг Солнца на расстоянии 20-100 тыс. а.е. (астрономических единиц: 1 а.е. = 150 млн. км, расстояние от Земли до Солнца) заполнено ядрами комет, численность которых оценивается в 1012, а полная масса - в 1-100 масс Земли. Внешняя граница 'кометного облака' Оорта определяется тем, что на этом расстоянии от Солнца на движение комет существенно влияет притяжение соседних звезд и других массивных объектов (см. ниже). Звезды перемещаются относительно Солнца, их возмущающее влияние на кометы изменяется, и это приводит к эволюции кометных орбит. Так, случайно комета может оказаться на орбите, проходящей вблизи Солнца, но на следующем обороте ее орбита немного изменится, и комета пройдет вдали от Солнца. Однако вместо нее из облака Оорта в окрестность Солнца будут постоянно попадать 'новые' кометы.
Короткопериодические кометы. При прохождении кометы вблизи Солнца ее ядро нагревается, и льды испаряются, образуя газовые кому и хвост. После нескольких сотен или тысяч таких пролетов в ядре не остается легкоплавких веществ, и оно перестает быть видимым. Для регулярно сближающихся с Солнцем короткопериодических комет это означает, что менее чем за миллион лет их популяция должна стать невидимой. Но мы их наблюдаем, следовательно, постоянно поступает пополнение из 'свежих' комет.
Пополнение короткопериодических комет происходит в результате их 'захвата' планетами, главным образом Юпитером. Ранее считалось, что захватываются кометы из числа долгопериодических, приходящих из облака Оорта, но теперь полагают, что их источником служит кометный диск, называемый 'внутренним облаком Оорта'. В принципе представление об облаке Оорта не изменилось, однако расчеты показали, что приливное влияние Галактики и массивных облаков межзвездного газа должны довольно быстро его разрушать. Необходим источник его пополнения. Таким источником теперь считают внутреннее облако Оорта, значительно более устойчивое к приливному влиянию и содержащее на порядок больше комет, чем предсказанное Оортом внешнее облако. После каждого сближения Солнечной системы с массивным межзвездным облаком кометы из внешнего облака Оорта разлетаются в межзвездное пространство, а им на смену приходят кометы из внутреннего облака.
Переход кометы с почти параболической орбиты на короткопериодическую происходит в том случае, если она догоняет планету сзади. Обычно для захвата кометы на новую орбиту требуется несколько ее проходов через планетную систему. Результирующая орбита кометы, как правило, имеет небольшое наклонение и большой эксцентриситет. Комета движется по ней в прямом направлении, и афелий ее орбиты (наиболее удаленная от Солнца точка) лежит вблизи орбиты захватившей ее планеты. Эти теоретические соображения полностью подтверждаются статистикой кометных орбит.
Негравитационные силы. Газообразные продукты сублимации оказывают реактивное давление на ядро кометы (подобное отдаче ружья при выстреле), которое приводит к эволюции орбиты. Наиболее активный отток газа происходит с нагретой 'послеполуденной' стороны ядра. Поэтому направление силы давления на ядро не совпадает с направлением солнечных лучей и солнечного тяготения. Если осевое вращение ядра и его орбитальное обращение происходят в одном направлении, то давление газа в целом ускоряет движение ядра, приводя к увеличению орбиты. Если же вращение и обращение происходят в противоположных направлениях, то движение кометы тормозится, и орбита сокращается. Если такая комета первоначально была захвачена Юпитером, то через некоторое время ее орбита целиком оказывается в области внутренних планет. Вероятно, именно это случилось с кометой Энке.
Кометы, задевающие Солнце. Особую группу короткопериодических комет составляют кометы, 'задевающие Солнце'. Вероятно, они образовались тысячелетия назад в результате приливного разрушения крупного, не менее 100 км в диаметре, ядра. После первого катастрофического сближения с Солнцем фрагменты ядра совершили ок. 150 оборотов, продолжая распадаться на части. Двенадцать членов этого семейства комет Крейца наблюдались между 1843 и 1984. Возможно, их происхождение связано с большой кометой, которую видел Аристотель в 371 до н.э.
Комета Галлея. Это самая знаменитая из всех комет. Она наблюдалась 30 раз с 239 до н.э. Названа в честь Э.Галлея, который после появления кометы в 1682 рассчитал ее орбиту и предсказал ее возвращение в 1758. Орбитальный период кометы Галлея - 76 лет; последний раз она появилась в 1986 и в следующий раз будет наблюдаться в 2061. В 1986 ее изучали с близкого расстояния 5 межпланетных зондов - два японских ('Сакигаке' и 'Суйсей'), два советских ('Вега-1' и 'Вега-2') и один европейский ('Джотто'). Оказалось, что ядро кометы имеет картофелеобразную форму длиной ок. 15 км и шириной ок. 8 км (рис. 2), а его поверхность 'чернее угля'.Возможно, оно покрыто слоем органических соединений, например полимеризованного формальдегида. Количество пыли вблизи ядра оказалось значительно выше ожидаемого.Комета Галлея относится к разряду так называемых периодических комет. Периодические кометы движутся по орбитам близким к эллиптическим, каждая такая орбита может быть определена с помощью шести элементов, один из которых динамический. Это i - угол между плоскостью орбиты и и плоскостью эклиптики (плоскость в которой движется Земля вокруг Солнца), гелиоцентрическая долгота восходящего узла орбиты - W(восходящий узел - точка на прямой пересечения двух плоскостей, в которой комета переходит из южной в северную полусферу, угол отсчитывается от прямой, проходящей через точки равноденствия), расстояние перигелия от узла- w, большая полуось a, эксцентриситет e, момент прохода через перигелий T₀. Период обращения в годах можно найти из третьего закона Кеплера P=a^3/2 если а задано в астрономических единицах. Так как орбиты комет обычно очень вытянуты, их в первом приближении вблизи Солнца можно считать параболическими, и вместо двух параметров a и e ввести один новый, перигелийное расстояние q=a(1-e) [у точной параболы a= , e=1].
Когда орбита кометы известна, можно решить обратную задачу: предвычислить ее положение на небе, и расстояние до Земли, т.е. вычислить так называемую эфемериду. Комета Галлея движется по вытянутой орбите с эксцентриситетом около 0.97 и наклонением около 162-163 градусов, что значит что эта комета движется под небольшим углом к эклиптике (17-18 градусов) но в направлении, противоположном направлению движения планет, такое движение называется ретроградным. Остальные статические элементы орбиты меняются со временем гораздо сильнее. На следующем рисунке показан путь движения кометы Галлея в 1986 году. Комета Галлея обычно лучше всего видна невооруженным взглядом примерно в районе месяца около момента прохождения через перигелий, когда она ближе всего подлетает к Земле.
Комета Энке. Эта тусклая комета была первой включена в семейство комет Юпитера. Ее период 3,29 года - наиболее короткий среди комет. Орбиту впервые вычислил в 1819 немецкий астроном И.Энке (1791-1865), отождествивший ее с кометами, наблюдавшимися в 1786, 1795 и 1805. Комета Энке ответственна за метеорный поток Тауриды, наблюдающийся ежегодно в октябре и ноябре.
Комета Джакобини - Циннера. Эту комету открыл М.Джакобини в 1900 и переоткрыл Э.Циннер в 1913. Ее период 6,59 лет. Именно с ней 11 сентября 1985 впервые сблизился космический зонд 'International Cometary Explorer', который прошел через хвост кометы на расстоянии 7800 км от ядра, благодаря чему получили данные о плазменной компоненте хвоста. С этой кометой связан метеорный поток Джакобиниды (Дракониды).

ФИЗИКА КОМЕТ

Ядро. Все проявления кометы так или иначе связаны с ядром. Уиппл предположил, что ядро кометы является сплошным телом, состоящим в основном из водяного льда с частицами пыли. Такая модель 'грязного снежка' легко объясняет многократные пролеты комет вблизи Солнца: при каждом пролете испаряется тонкий поверхностный слой (0,1-1% полной массы) и сохраняется внутренняя часть ядра. Возможно, ядро является конгломератом нескольких 'кометезималей', каждая не более километра в диаметре. Такая структура могла бы объяснить распад ядер на части, как это наблюдалось у кометы Биелы в1845 или у кометы Веста в 1976.
Блеск. Наблюдаемый блеск освещенного Солнцем небесного тела с неизменной поверхностью меняется обратно пропорционально квадратам его расстояний от наблюдателя и от Солнца. Однако солнечный свет рассеивается в основном газопылевой оболочкой кометы, эффективная площадь которой зависит от скорости сублимации льда, а та, в свою очередь, - от теплового потока, падающего на ядро, который сам изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния до Солнца. Поэтому блеск кометы должен меняться обратно пропорционально четвертой степени расстояния до Солнца, что и подтверждают наблюдения.
Размер ядра. Размер ядра кометы можно оценить из наблюдений в то время, когда оно далеко от Солнца и не окутано газопылевой оболочкой. В этом случае свет отражается только твердой поверхностью ядра, и его видимый блеск зависит от площади сечения и коэффициента отражения (альбедо). У ядра кометы Галлея альбедо оказалось очень низким - ок. 3%. Если это характерно и для других ядер, то диаметры большинства из них лежат в диапазоне от 0,5 до 25 км.
Сублимация. Переход вещества из твердого состояния в газообразное важен для физики комет. Измерения яркости и спектров излучения комет показали, что плавление основных льдов начинается на расстоянии 2,5-3,0 а.е., как должно быть, если лед в основном водяной. Это подтвердилось при изучении комет Галлея и Джакобини - Циннера. Газы, наблюдающиеся первыми при сближении кометы с Солнцем (CN, C2), вероятно, растворены в водяном льде и образуют газовые гидраты (клатраты). Каким образом этот 'составной' лед будет сублимироваться, в значительной степени зависит от термодинамических свойств водяного льда. Сублимация пыле-ледяной смеси происходит в несколько этапов. Потоки газа и подхваченные ими мелкие и пушистые пылинки покидают ядро, поскольку притяжение у его поверхности крайне слабое. Но плотные или скрепленные между собой тяжелые пылинки газовый поток не уносит, и формируется пылевая кора. Затем солнечные лучи нагревают пылевой слой, тепло проходит внутрь, лед сублимируется, и газовые потоки прорываются, ломая пылевую кору. Эти эффекты проявились при наблюдении кометы Галлея в 1986: сублимация и отток газа происходили лишь в нескольких областях ядра кометы, освещенных Солнцем. Вероятно, в этих областях обнажился лед, тогда как остальная поверхность была закрыта корой. Вырвавшиеся на свободу газ и пыль формируют наблюдаемые структуры вокруг ядра кометы
Кома. Пылинки и газ из нейтральных молекул образуют почти сферическую кому кометы. Обычно кома тянется от 100 тыс. до 1 млн. км от ядра. Давление света может деформировать кому, вытянув ее в антисолнечном направлении.
Водородная корона. Поскольку льды ядра в основном водяные, то и кома в основном содержит молекулы H2O. Фотодиссоциация разрушает H2O на H и OH, а затем OH - на O и H. Быстрые атомы водорода улетают далеко от ядрапрежде чем оказываются ионизованными, и образуют корону, видимый размер которой часто превосходит солнечный диск.
Хвост и сопутствующие явления. Хвост кометы может состоять из молекулярной плазмы или пыли. Некоторые кометы имеют хвосты обоих типов.
Пылевой хвост обычно однородный и тянется на миллионы и десятки миллионов километров. Он образован пылинками, отброшенными давлением солнечного света от ядра в антисолнечном направлении, и имеет желтоватый цвет, поскольку пылинки просто рассеивают солнечный свет. Структуры пылевого хвоста могут объясняться неравномерным извержением пыли из ядра или разрушением пылинок. Внешний вид пылинки показан на предлагаемом рисунке (справа). Плазменный хвост в десятки и даже сотни миллионов километров длиной (см. рисунок справа) - это видимое проявление сложного взаимодействия между кометой и солнечным ветром. Некоторые покинувшие ядро молекулы ионизуются солнечным излучением, образуя молекулярные ионы (H2O+, OH+, CO+, CO2+) и электроны. Эта плазма препятствует движению солнечного ветра, пронизанного магнитным полем. Наталкиваясь на комету, силовые линии поля оборачиваются вокруг нее, принимая форму шпильки для волос и образуя две области противоположной полярности. Молекулярные ионы захватываются в эту магнитную структуру и образуют в центральной, наиболее плотной ее части видимый плазменный хвост, имеющий голубой цвет из-за спектральных полос CO+. Роль солнечного ветра в формировании плазменных хвостов установили Л.Бирман и Х.Альвен в 1950-х годах. Их расчеты подтвердили измерения с космических аппаратов, пролетевших через хвосты комет Джакобини - Циннера и Галлея в 1985 и 1986.
В плазменном хвосте происходят и другие явления взаимодействия с солнечным ветром, налетающим на комету со скоростью ок. 400 км/с и образующим перед ней ударную волну, в которой уплотняется вещество ветра и головы кометы. Существенную роль играет процесс 'захвата'; суть его в том, что нейтральные молекулы кометы свободно проникают в поток солнечного ветра, но сразу после ионизации начинают активно взаимодействовать с магнитным полем и ускоряются до значительных энергий. Правда, иногда наблюдаются весьма энергичные молекулярные ионы, необъяснимые с точки зрения указанного механизма. Процесс захвата возбуждает также плазменные волны в гигантском объеме пространства вокруг ядра. Наблюдение этих явлений имеет фундаментальный интерес для физики плазмы.
Замечательное зрелище представляет 'обрыв хвоста'. Как известно, в нормальном состоянии плазменный хвост связан с головой кометы магнитным полем. Однако нередко хвост отрывается от головы и отстает, а на его месте образуется новый. Это случается, когда комета проходит через границу областей солнечного ветра с противоположно направленным магнитным полем. В этот момент магнитная структура хвоста перестраивается, что выглядит как обрыв и формирование нового хвоста. Сложная топология магнитного поля приводит к ускорению заряженных частиц; возможно, этим объясняется появление упомянутых выше быстрых ионов.

Столкновения в Солнечной системе.

Из наблюдаемого количества и орбитальных параметров комет Э.Эпик вычислил вероятность столкновения с ядрами комет различного размера . В среднем 1 раз за 1,5 млрд. лет Земля имеет шанс столкнуться с ядром диаметром 17 км, а это может полностью уничтожить жизнь на территории, равной площади Северной Америки. За 4,5 млрд. лет истории Земли такое могло случаться неоднократно. Гораздо чаще происходят катастрофы меньшего масштаба: в 1908 над Сибирью, вероятно, вошло в атмосферу и взорвалось ядро небольшой кометы, вызвав полегание леса на большой территории.

На первую страницу