 |
Астронет: Д. Ю. Клыков/ГАИШ Метеоры http://variable-stars.ru/db/msg/1198013/04.html |
<< Глава 2. | Оглавление | Глава 4. >>
3. ПОЛЁТ МЕТЕОРОВ В ЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЕ
Метеоры появляются на высотах 130 км и ниже и обычно исчезают около высоты 75 км. Эти границы изменяются в зависимости от массы и скорости метеорных тел, проникающих в атмосферу. Визуальные определения высот метеоров из двух и более пунктов (так называемые корреспондирующие) относятся преимущественно к метеорам 0-3-й звёздной величины. С учётом влияния довольно значительных ошибок визуальные наблюдения дают следующие значения высот метеоров: высота появления H1 = 130-100 км, высота исчезновения H2 = 90 - 75 км, высота середины пути H0 = 110 - 90 км (рис. 8).
Рис. 8. Высоты (H) метеорных явлений. Пределы
высот (слева): начало и конец пути болидов
(Б), метеоров по визуальным наблюдениям (М)
и по радиолокационным наблюдениям (РМ),
телескопических метеоров по визуальным
наблюдениям (Т); (МТ) -
область задержки метеоритов. Кривые
распределения (справа): 1 - середина
пути метеоров по радиолокационным
наблюдениям, 2 - то же по фотографическим
данным, 2а и 2б - начало и конец пути
по фотографическим данным.
Гораздо более точные фотографические определения высот относятся, как правило, к более ярким метеорам, от -5-й до 2-й звёздной величины, или к наиболее ярким участкам их траекторий. По фотографическим наблюдениям в СССР высоты ярких метеоров заключаются в следующих пределах: H1 = 110-68 км, H2 = 100-55 км, Н0 = 105-60 км. Радиолокационные наблюдения позволяют определить раздельно H1 и H2 только для наиболее ярких метеоров. По радиолокационным данным для этих объектов H1 = 115-100 км, H2 = 85-75 км. Надо заметить, что радиолокационное определение высоты метеоров относится только к той части метеорной траектории, вдоль которой образуется достаточно интенсивный ионизационный след. Поэтому для одного и того же метеора высота по фотографическим данным может заметно отличаться от высоты по радиолокационным данным.
Для более слабых метеоров при помощи радиолокатора удаётся определить статистически только среднюю их высоту. Распределение средних высот метеоров преимущественно 1-6-й звёздной величины, полученных радиолокационным методом, показано ниже:
| Высота | 120-111 | 110-101 | 100-91 | 90-81 | 80-71 км |
| Процент определений | 2 | 25 | 37 | 24 | 12 |
Рассматривая фактический материал по определению высот метеоров, можно установить, что по всем данным огромное большинство этих объектов наблюдается в зоне высоты 110-80 км. В этой же зоне наблюдаются телескопические метеоры, которые по А.М. Бахареву имеют высоты H1 = 100 км, H2 = 70 км. Однако по телескопическим наблюдениям И.С. Астаповича и его сотрудников в Ашхабаде значительное количество телескопических метеоров наблюдается также ниже 75 км, преимущественно на высотах 60-40 км. Это, по-видимому, медленные и поэтому слабые метеоры, которые начинают светиться, лишь глубоко врезавшись в земную атмосферу.
Переходя к очень крупным объектам, мы находим, что болиды появляются на высотах H1 = 135-90 км, имея высоту конечной точки пути H2 = 80-20 км. Болиды, проникающие в атмосферу ниже 55 км, сопровождаются звуковыми эффектами, а достигающие высоты 25-20 км обычно предшествуют выпадению метеоритов.
 |
| Рис. 9. Зависимость между
средней высотой H0 и геоцентрической скоростью Vg метеоров по фотографическим определениям. |
Высоты метеоров зависят не только от их массы, но и от скорости их относительно Земли, или так называемой геоцентрической скорости. Чем больше скорость метеора, тем выше он начинает светиться, так как быстрый метеор даже в разреженной атмосфере гораздо чаще сталкивается с частицами воздуха, чем медленный. Средняя высота метеоров зависит от их геоцентрической скорости следующим образом (рис. 9):
| Геоцентрическая скорость (Vg) | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 км/сек |
| Средняя высота (H0) | 68 | 77 | 82 | 85 | 87 | 90 км |
При одной и той же геоцентрической скорости метеоров их высоты зависят от массы метеорного тела. Чем больше масса метеора, тем ниже он проникает.
Видимая часть траектории метеора, т.е. длина его пути в атмосфере, определяется значениями высот его появления и исчезновения, а также наклоном траектории к горизонту. Чем круче наклон траектории к горизонту, тем короче видимая длина пути. Длина пути обычных метеоров не превышает, как правило, нескольких десятков километров, но для очень ярких метеоров и болидов она достигает сотен, а иногда и тысяч километров.
 |
| Рис. 10. Зенитное притяжение метеоров. |
Метеоры светятся на коротком видимом отрезке своей траектории в земной атмосфере протяжением в несколько десятков километров, который они пролетают за несколько десятых долей секунды (реже за несколько секунд). На этом отрезке траектории метеора уже проявляется действие притяжения Земли и торможения в атмосфере. При подходе к Земле первоначальная скорость метеора под действием земного притяжения увеличивается, и путь искривляется так, что наблюдаемый радиант его смещается к зениту (зенит - точка над головой наблюдателя). Поэтому действие притяжения Земли на метеорные тела называется зенитным притяжением (рис. 10).
Чем медленнее метеор, тем больше влияние
зенитного притяжения, как это можно видеть
из следующей таблички, где Vg
обозначает начальную геоцентрическую
скорость, V'g - ту же скорость,
искажённую притяжением Земли, а Δz-
максимальная величина зенитного
притяжения:
| Vg | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 км/сек |
| V'g | 15,0 | 22,9 | 32,0 | 41,5 | 51,2 | 61,0 | 70,9 км/сек |
| Δz | 23o | 8o | 4o | 2o | 1o | <1o |
Проникая в атмосферу Земли, метеорное тело испытывает, кроме того, торможение, сначала почти незаметное, но весьма значительное в конце пути. По советским и чехословацким фотографическим наблюдениям торможение может достигать на конечном отрезке траектории 30-100 км/сек2, в то же время вдоль большей части траектории торможение колеблется от 0 до 10 км/сек2. Медленные метеоры испытывают наибольшую относительную потерю скорости в атмосфере.
Кажущаяся геоцентрическая скорость метеоров, искажённая зенитным притяжением и торможением, соответствующим образом исправляется с учётом влияния этих факторов. Долгое время скорости метеоров были известны недостаточно точно, поскольку они определялись из малоточных визуальных наблюдений.
 |
| Рис. 11. Распределение метеоров
по скорости из радиолокационных наблюдений. Плавная кривая - распределение, которое должно было быть при параболической скорости метеоров. Столбики - наблюдённые величины, показывающие, что метеоры имеют эллиптическую скорость. |
Фотографический способ определения скорости метеоров с применением обтюратора является наиболее точным. Все без исключения определения скорости метеоров, полученные фотографическим путём в СССР, Чехословакии и США, показывают, что метеорные тела должны двигаться вокруг Солнца по замкнутым эллиптическим путям (орбитам). Таким образом, оказывается, что подавляющая часть метеорной материи, если не вся она, принадлежит Солнечной системе. Этот результат прекрасно согласуется с данными радиолокационных определений, хотя фотографические результаты относятся в среднем к более ярким метеорам, т.е. к более крупным метеорным телам. Кривая распределения скоростей метеоров, найденная при помощи радиолокационных наблюдений (рис. 11), показывает, что геоцентрическая скорость метеоров заключается в основном в пределах от 15 до 70 км/сек (некоторое количество определений скорости, превосходящих 70 км/сек, обусловлено неизбежными ошибками наблюдений). Это ещё раз подтверждает вывод о том, что метеорные тела движутся вокруг Солнца по эллипсам.
Дело в том, что скорость движения Земли по орбите составляет 30 км/сек. Стало быть, встречные метеоры, имеющие геоцентрическую скорость 70 км/сек, движутся относительно Солнца со скоростью 40 км/сек. Но на расстоянии Земли параболическая скорость (т.е. скорость, необходимая, чтобы тело унеслось по параболе за пределы Солнечной системы) составляет 42 км/сек. Значит, все скорости метеоров не превышают параболической и, следовательно, их орбиты представляют собой замкнутые эллипсы.
Кинетическая энергия метеорных тел, вторгающихся в атмосферу с весьма большой начальной скоростью, очень велика. Взаимные столкновения молекул и атомов метеора и воздуха интенсивно ионизируют газы в большом объёме пространства вокруг летящего метеорного тела. Частицы, в изобилии вырванные из метеорного тела, образуют вокруг него ярко светящуюся оболочку из раскалённых паров. Свечение этих паров напоминает свечение электрической дуги. Атмосфера на высотах, где появляются метеоры, очень разрежена, поэтому процесс воссоединения оторванных от атомов электронов продолжается довольно долго, вызывая при этом свечение столба ионизованного газа, которое продолжается в течение нескольких секунд, а иногда и минут. Такова природа самосветящихся ионизационных следов, которые можно наблюдать на небе после многих метеоров. Спектр свечения следа также состоит из линий тех же элементов, что и спектр самого метеора, однако уже нейтральных, а не ионизованных. Кроме того, в следах также светятся атмосферные газы. На это указывают открытые в 1952-1953 гг. в спектрах метеорного следа линии кислорода и азота.
По спектрам метеоров видно, что метеорные частицы состоят либо из железа, имея плотность свыше 8 г/см3, либо являются каменными, что должно соответствовать плотности от 2 до 4 г/см3. Яркость и спектр метеоров позволяют оценить их размеры и массу. Видимый радиус светящейся оболочки метеоров 1-3-й звёздной величины оценивается примерно в 1-10 см. Однако радиус светящейся оболочки, определяемый разлётом светящихся частиц, намного превосходит радиус самого метеорного тела. Метеорные тела, влетающие в атмосферу со скоростью 40-50 км/сек и создающие явление метеоров нулевой звёздной величины, имеют радиус порядка 3 мм, а массу порядка 1 г. Яркость метеоров пропорциональна их массе, так что масса метеора некоторой звёздной величины в 2,5 раза меньше, чем для метеоров предыдущей величины. Кроме того, яркость метеоров пропорциональна кубу их скорости относительно Земли.
Вступая в атмосферу Земли с большой начальной скоростью, метеорные частицы встречаются на высотах 80 и больше км с весьма разреженной газовой средой. Плотность воздуха здесь в сотни миллионов раз меньше, чем у поверхности Земли. Поэтому в этой зоне взаимодействие метеорного тела с атмосферной средой выражается в бомбардировке тела отдельными молекулами и атомами. Это - молекулы и атомы кислорода и азота, поскольку химический состав атмосферы в метеорной зоне приблизительно такой же, как и на уровне моря. Атомы и молекулы атмосферных газов при упругих столкновениях либо отскакивают, либо проникают в кристаллическую решётку метеорного тела. Последнее быстро нагревается, расплавляется и испаряется. Скорость испарения частиц сначала незначительна, затем нарастает до максимума и вновь уменьшается к концу видимого пути метеора. Испаряющиеся атомы вылетают из метеора со скоростями в несколько километров в секунду и, обладая большой энергией, испытывают частые соударения с атомами воздуха, приводящие к нагреванию и ионизации. Раскалённое облачко испарившихся атомов образует светящуюся оболочку метеора. Часть атомов полностью теряет при столкновениях внешние электроны, в результате чего вокруг траектории метеора образуется столб ионизованного газа с большим числом свободных электронов и положительных ионов. Количество электронов в ионизованном следе составляет 1010-1012 на 1 см пути. Начальная кинетическая энергия расходуется на нагревание, свечение и ионизацию примерно в отношении 106 :104 :1.
Чем глубже проникает метеор в атмосферу, тем плотнее становится его раскалённая оболочка. Уподобляясь очень быстро летящему снаряду, метеор образует головную ударную волну; эта волна сопровождает метеор при его движении в более низких слоях атмосферы, а в слоях ниже 55 км вызывает звуковые явления.
Следы, остающиеся после полёта метеоров, могут наблюдаться как при помощи радиолокаторов, так и визуально. Особенно успешно можно наблюдать ионизационные следы метеоров в светосильные бинокли или телескопы (так называемые кометоискатели).
Следы болидов, проникающих в более низкие и плотные слои атмосферы, напротив, в основном состоят из пылевых частиц и поэтому видны, как тёмные дымные облачка на фоне голубого неба. Если такой пылевой след освещается лучами зашедшего Солнца или Луны, он бывает виден, как серебристые полосы на фоне ночного неба (рис. 12). Такие следы могут наблюдаться часами, пока они не будут уничтожены воздушными течениями. Следы же менее ярких метеоров, образующиеся на высотах 75 км и более, содержат лишь очень малую долю пылевых частиц и видны исключительно вследствие самосвечения атомов ионизованного газа. Продолжительность видимости ионизационного следа невооружённым глазом составляет для болидов -6-й звёздной величины в среднем 120 сек., а для метеора 2-й звёздной величины 0,1 сек., в то время как длительность радиоэха для тех же объектов (при геоцентрической скорости 60 км/сек) равна 1000 и 0,5 сек. соответственно. Угасание ионизационных следов частично идёт за счёт присоединения свободных электронов к молекулам кислорода (О2), содержащегося в верхних слоях атмосферы.
Ионизационные следы, так же как и пылевые, испытывают воздействие высотных ветров, которые разрушают эти следы и рассеивают их остатки, вплоть до полного их исчезновения (рис. 13).
<< Глава 2. | Оглавление | Глава 4. >>