 |
Астронет: Д. Ю. Клыков/ГАИШ Метеоры http://variable-stars.ru/db/msg/1198013/07.html |
<< Глава 5. | Оглавление | Глава 7. >>
6. МЕТЕОРНОЕ ВЕЩЕСТВО В СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЕ
До сих пор мы рассматривали метеорные тела в момент их появления перед глазами наблюдателя, когда они ярко светятся в верхних слоях атмосферы или выпадают на земную поверхность в виде метеоритов. Именно на этой последней стадии существования метеорных тел мы имеем возможность получать о них все сведения. За пределами земной атмосферы мы не можем обнаружить существование крошечных метеорных частиц и изучать их свойства. Тем не менее, анализируя данные наблюдений метеоров в момент их встречи с Землёй, можно получить весьма важные и довольно обширные сведения об их космической природе, месте и роли в Солнечной системе.
Переход от кажущегося для земного наблюдателя распределения метеоров по яркости, численности, скорости и т.д. к истинному их распределению в Солнечной системе является основной задачей метеорной астрономии. Задача эта весьма сложна вследствие того, что условия видимости метеоров зависят от целого ряда факторов, учесть влияние которых весьма трудно. В этом отношении метеорная астрономия невыгодно отличается от других отраслей астрономии, например физики Солнца, планет или звёзд, где наблюдатель видит те или иные явления хотя и искажёнными в той или иной степени, но, наблюдая их с большого расстояния, он может охватить их в целом. Этим следует объяснить, что в истории метеорной астрономии даже серьёзными исследователями неоднократно допускались существенные ошибки, примерами которых могут служить предположения о равномерном распределении направлений движений метеорных тел в пространстве или о межзвёздном происхождении значительной части метеорного вещества.
Первый вопрос, относящийся к космической природе метеорного вещества, есть вопрос о численности, пространственной плотности и массе метеорных тел. Для этого прежде всего надо подсчитать истинное суточное число метеоров. Способ такого подсчёта довольно прост. По радиолокационным данным известно, что средняя высота метеоров равна 87 км. Пусть радиус поля зрения наблюдателя, внутри которого он замечает все метеоры 0-2-й звёздной величины, составляет 25o. Отсюда можно вычислить величину площадки, которая охватывается этим полем зрения на высоте 87 км. Она равна приблизительно 5000 кв. км, в то время как площадь всей Земли составляет 5000 кв. км. Если часовое число метеоров, например, 2-й звёздной величины будет 1,2, то истинное суточное число N таких метеоров для всей Земли будет:
Таким образом мы получаем следующие данные об истинном числе метеоров, приведённые в табл. 1.
Таблица 1. Истинное суточное число метеоров (для всей Земли)
| Видимая зв. вел. m |
Набл. часовое число n |
Истинное су- точное число N |
lg N |
| -3 | 0,012 | 28.103 | 4,45 |
| -2 | 0,03 | 71 | 4,85 |
| -1 | 0,08 | 180 | 5,26 |
| 0 | 0,19 | 450 | 5,65 |
| 1 | 0,46 | 1,1-106 | 6,04 |
| 2 | 1,2 | 2,8 | 6,45 |
| 3 | 2,7 | 7,1 | 6,85 |
| 4 | 3,8 | 18 | 7,26 |
| 5 | 1,5 | 45 | 7,65 |
| 6 | - | 110 | 8,04 |
| 7 | 0,14 | 240 | 8,38 |
| 8 | 0,08 | 410 | 8,61 |
| 9 | 0,15 | 1,2.109 | 9,62 |
| 10 | 0,14 | 4,5 | 9,65 |
| 11 | 0,06 | 6,4 | 9,81 |
Эти результаты являются переработкой таблицы, впервые составленной американским астрономом Ф. Ватсоном в 1941 г. с учётом данных о телескопических метеорах сталинабадского астронома А.М. Бахарева.
Можно легко заметить, что количество метеоров каждой данной величины в 2,5 раза больше, чем для предшествующей величины. Это отношение блестяще подтверждается радиолокационными наблюдениями. Однако это среднее соотношение, выведенное для всей совокупности метеоров, встречающих Землю, не соблюдается для отдельных метеорных потоков.
Средняя плотность метеоров в межпланетном пространстве вблизи Земли будет равна суточному числу метеоров данной звёздной величины, делённому на объём пространства, проходимый Землёй в сутки. Произведя несложные расчёты, можно видеть, что плотность метеорного вещества в межпланетном пространстве ничтожна и составляет для метеоров нулевой звёздной величины 1,4.10-24 см-3, т. е. приблизительно 1 частица на куб пространства с ребром в 1000 км. Даже для метеоров 10-й звёздной величины одна метеорная крупинка содержится в кубе с ребром 40 км.
Выше уже упоминалось, что масса метеора нулевой звёздной величины оценивается средней величиной порядка 1 г и что масса метеора каждой следующей звёздной величины в 2,5 раза меньше. Так как число метеоров каждой звёздной величины в 2,5 раза больше, чем предыдущей, то общая масса метеоров некоторой звёздной величины, ежесуточно встречающихся с Землёй, является величиной постоянной и может быть круглым счётом оценена в 0,5 т. Отсюда можно оценить суммарную массу метеорного вещества, выпадающего ежесуточно на Землю. Находки метеоритов позволяют считать, что суммарная масса метеоритов, падение которых связано с появлением болидов -10-й звёздной величины и ярче, равна примерно одной тонне. С другой стороны, метеоры слабее +30-й звёздной величины представляют пылинки, выметаемые лучевым давлением Солнца из пределов Солнечной системы. Поэтому более слабых метеоров быть в Солнечной системе не может. Таким образом, общая масса метеорного вещества, выпадающего на Землю, составляет в сутки около 20 т, а в год несколько тысяч тонн. Это - ничтожная масса, выпадение которой не могло существенно изменить облик Земли и даже сколько-нибудь повлиять на скорость её суточного вращения за 2 миллиарда лет, протекшие со времени образования земной коры*). Правда, при этом подсчёте не учитывается масса очень мелких метеорных пылинок, обладающих относительно Земли очень малой скоростью и проникающих в её атмосферу без заметного свечения. Такие пылинки были найдены в последнее время при сборе метеорной пыли, и возможно, что их общее количество очень велико. Пространственная плотность метеорного вещества в районе орбиты Земли легко может быть определена из приведённых выше соображений. Она равна приблизительно 0,5.10-22 г/см3.
 |
| Рис. 21. Гелиоцентрическая (V) и геоцентрическая (U) скорость метеоров; W - скорость Земли на орбите. |
При встрече метеоров с Землёй их геоцентрическая скорость является результатом сложения скорости движения Земли и метеоров относительно Солнца (их гелиоцентрической скорости) (рис. 21). Направление движения метеоров относительно Земли характеризуется угловым расстоянием (элонгацией) радианта от точки, куда движется Земля (апекса). Так как наблюдённые геоцентрические скорости метеоров лежат в пределах от 10 до 71 км/сек, а скорость движения Земли составляет 30 км/сек, то гелиоцентрическая скорость метеоров не превосходит 41 км/сек, т. е. она меньше параболической скорости. Следовательно, все орбиты метеоров вокруг Солнца являются замкнутыми эллиптическими орбитами.
С другой стороны, скорость метеоров может быть оценена не из наблюдений, а следующим статистическим методом, предложенным Д. Скиапарелли (Италия) и развитым К. Хоффмейстером (Германия). Предположим, что все направления движения метеоров в окрестности Земли равновероятны. Когда апекс стоит высоко над горизонтом, на небесной полусфере, видимой наблюдателем, число метеоров должно быть больше, так как мы видим над горизонтом большинство встречных метеоров, а также метеоры, движущиеся медленнее Земли и догоняемые ею. Наоборот, когда над горизонтом находится антиапекс (т.е. точка, откуда уходит Земля) и наблюдатель видит на своей небесной полусфере только догоняющие Землю метеоры, число метеоров должно быть меньше. Если бы метеоры были неподвижны относительно Солнца, отношение числа догоняющих метеоров к встречным было бы равно нулю; если бы метеоры обладали бесконечной скоростью, это отношение обратилось бы в единицу. Для всех промежуточных значений средней гелиоцентрической скорости метеоров при условии равновероятности различных направлений мы будем иметь величину этого отношения меньше единицы, число догоняющих метеоров меньше числа встречных.
Апекс перемещается по небу вследствие суточного и годичного движений Земли: в 6 часов утра по местному времени апекс находится в своём наивысшем положении над горизонтом для пункта наблюдений; осенью он находится в наиболее высокой точке эклиптики - в сентябре для северного полушария Земли, в марте - для южного. Вследствие этого должны иметь место суточная и годичная вариации числа метеоров, не принадлежащих к какому-либо определённому метеорному потоку и не обладающих вследствие этого преимущественным направлением движения (спорадических).
Из старых наблюдений парижского часовщика и любителя астрономии Кувье-Гравье, производившего наблюдения метеоров свыше ста лет назад, Скиапарелли оценил среднюю скорость спорадических метеоров как параболическую. Более точные наблюдения К. Хоффмейстера в первой половине XX века показали, что найденная таким образом гелиоцентрическая скорость метеоров значительно превосходит параболическую.
Отсюда можно было заключить, что спорадические метеоры должны приходить в Солнечную систему из межзвёздного пространства по гиперболическим орбитам. Такой вывод из статистических наблюдений метеоров действительно был сделан К. Хоффмейстером и другими исследователями в 20-30-х годах нашего столетия. Тогда не были ещё сделаны точные фотографические и радиолокационные определения скорости метеоров, и этот ошибочный вывод долгое время признавался многими астрономами.
Межзвёздное происхождение приписывалось даже таким метеорным потокам, как Лириды или Тауриды, для которых и ранее предполагалось, а впоследствии было достоверно установлено движение по эллиптическим орбитам. Однако позже И.С. Астапович в СССР, Д. Прентис и Д. Портер в Англии уже на основании только визуальных наблюдений начали сомневаться в выводах К. Хоффмейстера. Эти исследователи признали, что большая часть метеорных орбит относится к эллипсам. Спор был бесповоротно решён точными фотографическими и радиолокационными наблюдениями. Результаты этих наблюдений с очевидностью показали эллиптичность орбит как спорадических метеоров, в том числе и телескопических (до +8-й звёздной величины), так и метеоров, принадлежащих к тем или иным потокам.
Противоречие между результатами определения скорости метеоров статистическим и другими методами можно объяснить лишь неправильностью предпосылок, принятых при истолковании результатов подсчёта метеоров. Действительно, предположение о равномерном распределении в пространстве направлений движения спорадических метеоров является неверным. Большая часть метеоров имеет движение вокруг Солнца в том же направлении, что и все большие планеты (в том числе и наша Земля). Поэтому среди метеоров преобладают догоняющие Землю тела, двигающиеся вокруг Солнца в одном и том же направлении с Землёй. Этим объясняется относительно большое количество метеоров в полусфере неба, обращенной к антиапексу, что приводит к преувеличению скорости метеоров. Б.Ю. Левин, основываясь на развитой им физической теории метеоров, показал, что встречные метеоры, обладающие большой геоцентрической скоростью, должны светиться гораздо ярче, чем догоняющие. Многие догоняющие метеоры светятся слабо, и поэтому при равной видимой яркости число встречных метеоров кажется относительно большим. Если принять во внимание соображения Б.Ю. Левина, оказывается, что около 99% всех метеоров движется в том же направлении, что и наша Земля, и догоняет её.
Итак, ныне твёрдо установлено, что метеорные тела движутся в Солнечной системе в основном в том же направлении, в каком происходит вращение самого Солнца и обращение всех планет вокруг Солнца. Сам по себе этот вывод чрезвычайно важен, так как он является доказательством общности происхождения всей Солнечной системы, включающей облако метеорного вещества как одну из своих составных частей.
В самое последнее время массовые определения скорости и направления движения индивидуальных метеоров радиолокационным методом позволили уточнить характер орбит спорадических метеоров, встречающих Землю. По данным Д. Дэвиса, полученным на радиообсерватории Джодрелл Бэнк в 1954 г., подавляющее большинство орбит метеоров представляет собой эллипсы с периодами обращения вокруг Солнца от 0,5 до 10 лет. Наибольшее количество метеорных орбит соответствует периоду обращения вокруг Солнца около 3 лет. Радианты спорадических метеоров рассеяны по всему видимому полушарию неба, так что их орбиты наклонены к плоскости земной орбиты (эклиптики) под всевозможными углами. Эти данные находятся в хорошем согласии с менее многочисленными фотографическими определениями метеорных орбит, выполненными Л. А. Катасевым в СССР, Ф. Уиплом и Л. Яккиа в США.
Как распределяется метеорное вещество в Солнечной системе? На этот вопрос можно ответить лишь весьма приблизительно, так как мы знаем лишь те метеоры, которые в своём движении вокруг Солнца приближаются к Земле, точнее, орбиты которых пересекаются с орбитой Земли. Вследствие этого мы можем изучать лишь очень узкий класс орбит метеорных тел, и делать по ним заключения о всём комплексе метеорных тел в Солнечной системе довольно затруднительно. Однако вполне естественно предположить, что плотность метеорного вещества убывает с расстоянием от Солнца, что метеорное вещество преимущественно группируется в плоскости эклиптики, т. е. в той же плоскости, что и орбиты больших планет, что в составе частиц метеорного облака по мере удаления от Солнца могут иметь место качественные изменения. Два первых соображения подкрепляются фактическими данными о зодиакальном свете, который имеет вид слабо светящегося конуса, расположенного вдоль эклиптики. По мнению акад. В.Г. Фесенкова и других исследователей, зодиакальный свет является; результатом отражения и рассеяния солнечного света мельчайшими частицами метеорного облака. Вид зодиакального света подтверждает предположение о том, что метеорное облако должно иметь форму линзы, лежащей, в плоскости, близкой к плоскостям орбит больших планет Солнечной системы.
О химическом составе метеорных тел можно судить по линиям элементов, обнаруженным в спектрах метеоров. Спектры метеоров можно разделить на два типа. Первый тип отличается интенсивными линиями кальция, во втором типе наиболее характерными являются линии железа. Остальные спектральные линии распознаются в метеорных спектрах по их расположению относительно линий кальция и железа. Спектры I типа встречаются наиболее часто - в 75% случаев. Они содержат, помимо линий кальция, также линии железа, хрома, алюминия, никеля, кремния, марганца, магния, натрия, титана и: кобальта. Таким образом, метеорные тела, свечение которых даёт спектры I типа, вполне идентичны по своему химическому составу с каменными метеоритами.
Таблица 2. Спектры метеоров
| Название элементов | Процент спектров, в которых обнаружены линии данного элемента |
| Железо | 85 |
| Кальций (ионизованный) | 77 |
| Кальций (нейтральный) | 40 |
| Марганец | 21 |
| Магний | 17 |
| Хром | 17 |
| Никель | 6 |
| Алюминий | 6 |
| Магний (ионизованный) | 4 |
| Кремний (ионизованный) | 4 |
| Титан | 2 |
| Кобальт | 2 |
| Натрий | 2 |
Спектры II типа встречаются всего в 25% случаев, содержат линии железа и никеля и вызываются свечением железных метеорных тел, полностью соответствующих железным метеоритам. Отсюда следует заключить, что метеориты и более мелкие метеорные тела сходны по своему химическому составу и составляют единый ряд.
Однако химический состав метеорных тел должен испытывать изменение в зависимости от их расстояния до Солнца, так как нагрев солнечным теплом является причиной испарения наиболее летучих веществ. Поэтому в метеорах, обращающихся вблизи Солнца, например вблизи орбиты Меркурия, можно предположить улетучивание натрия, магния, а возможно и других элементов. В то же время метеорные тела во внешних областях Солнечной системы, слабо нагреваемые Солнцем и имеющие очень низкую температуру, могут в значительной мере состоять из аммиачных, углекислых и других льдов, температура кипения которых ниже температуры пространства в этих областях.
Такова в общих чертах природа метеорного облака в Солнечной системе. Вопрос о происхождении метеорного облака требует выяснения взаимоотношений между метеорами и другими телами Солнечной системы.
*) Согласно законам теоретической механики в случае увеличения массы тела скорость его вращения должна уменьшаться.
<< Глава 5. | Оглавление | Глава 7. >>