§ 20. Малые тела солнечной системы
20.1 Малые планеты
20.2 Кометы
20.3 Метеоры, болиды и метеориты
20.4 Вопросы
20.5 Упражнение 16
Часть вещества допланетного облака, которая осталась после образования больших планет, продолжает обращаться вокруг Солнца в виде тел меньшего размера — астероидов и комет.
20.1 Малые планеты
Поскольку малые планеты даже в телескоп видны как светящиеся точки, похожие на звезды, их называют еще астероидами (звездоподобными). Первая из них была открыта в 1801 г. и получила имя, взятое из древней мифологии, — Церера. Она оказалась самой большой — ее диаметр около 1000 км. Вскоре были обнаружены Паллада, Веста (рис. 4.20) и Юнона. Эти и другие открытые за последующие полтора столетия малые планеты, в основном, обращаются между орбитами Марса и Юпитера, в так называемом поясе астероидов. Кроме Весты ни одна из них не видна невооруженным глазом. Считается, что общее число малых планет, размеры которых превышают 1 км, может достигать миллиона. По массе астероиды невелики. Даже общая масса всех астероидов составляет не более 1/1000 массы Земли.
Метеориты, которые попадают в руки человека после падения на Землю, являются, как правило, обломками астероидов. Они могут сотни миллионов лет двигаться по своим орбитам вокруг Солнца, как и остальные, более крупные тела Солнечной системы. Но если их орбиты пересекаются с орбитой Земли, то они могут с ней столкнуться. Это возможно потому, что эксцентриситеты орбит астероидов (а тем более их частей) больше, чем эксцентриситеты орбит больших планет. В афелии некоторые из них оказываются ближе к Солнцу, чем Земля, а другие в перигелии — дальше, чем Юпитер и даже Сатурн. Известно несколько астероидов, которые периодически проходят на расстоянии менее 1 млн км от нашей планеты (рис. 4.21).
Так, Гермес в 1937 г. отделяло от Земли всего 800 тыс. км, а в 1989 г. астероид диаметром около 300 м прошел от нее на расстоянии менее 650 000 км.
Современные наблюдательные средства, в частности приборы, установленные на космических аппаратах, обнаружили, что в окрестностях Земли каждый месяц пролетает несколько тел размером от 5 до 50 м. К настоящему времени известно около 20 тел астероидного размера (от 50 м до 5 км), орбиты которых проходят недалеко от орбиты нашей планеты. Опасения по поводу возможного столкновения таких тел с Землей значительно усилились после падения на Юпитер кометы Шумейкеров — Леви 9 в июле 1995 г. Это стимулировало поиски и отслеживание комет и астероидов, которые пересекают орбиту Земли, а также разработку способов, которые позволят избежать столкновения (вплоть до уничтожения этих тел). Нет особых оснований считать, что количество столкновений с Землей может сколько-нибудь заметно увеличиться в будущем (ведь «запасы» метеоритного вещества в межпланетном пространстве постепенно истощаются). Из числа столкновений, имевших катастрофические последствия, можно назвать лишь падение в 1908 г. Тунгусского метеорита — объекта, который, по современным представлениям, был ядром небольшой кометы.
С помощью космических аппаратов впервые удалось с расстояния в несколько десятков тысяч километров получить изображения малых планет. Как и предполагалось, породы, составляющие их поверхность, оказались аналогичны тем, которые распространены на Земле и Луне.
Подтвердились представления о том, что небольшие астероиды имеют неправильную форму, а их поверхность испещрена кратерами. Так, размеры Гаспры 19 x 12 x 11 км (рис. 4.22). У астероида Ида (размеры 56 x 28 x 28 км) обнаружен спутник (Дактиль) размером около 1,5 км, который, находясь от его центра на расстоянии около 85 км, обращается с периодом примерно 24 ч. В подобной «двойственности» заподозрено около 50 астероидов.
До недавнего времени считалось, что малые планеты движутся в основном между орбитами Марса и Юпитера. Однако в последние годы в Солнечной системе между планетами-гигантами и за пределами орбиты Нептуна было открыто несколько десятков тел размером 100 — 300 км. Первым из них еще в 1992 г. был обнаружен астероид, период обращения которого составляет 93 года (большая полуось орбиты около 20 а. е.), а затем еще более далекий, диаметром около 200 км на расстоянии более 40 а. е. от Солнца. В последующем подтвердилось высказанное ранее предположение о том, что в Солнечной системе за орбитой Нептуна существует второй пояс астероидов, где их число в сотни раз превышает число астероидов известного пояса. Вероятно, эти далекие астероиды содержат значительное количество водяного льда, и они больше похожи на ядра комет, чем на «обычные» астероиды.
Вверх
20.2 Кометы
Из-за своего необычного вида (наличие хвоста, который может простираться на несколько созвездий) кометы с древних времен обращали на себя внимание людей, даже далеких от астрономии. За все время наблюдений было замечено и описано свыше 2000 комет.
Вдали от Солнца кометы имеют вид очень слабых туманных пятен. По мере приближения к нему у кометы появляется и постепенно увеличивается хвост, направленный в противоположную от Солнца сторону. У наиболее ярких комет хорошо заметны все три составные части: голова, ядро и хвост. При удалении от Солнца яркость кометы и ее хвост уменьшаются. Она снова превращается в туманное пятно, а затем ослабевает настолько, что становится недоступной для наблюдений.
Кроме необычного внешнего вида, кометы обращали на себя внимание неожиданностью появления. Решить вопрос о том, откуда появляются кометы и как они движутся в пространстве, удалось только на основе закона всемирного тяготения. Наблюдая в 1680 г. комету, Ньютон вычислил ее орбиту и убедился, что она подобно планетам обращается вокруг Солнца. Пользуясь советами Ньютона, его современник, английский ученый Эдмунд Галлей (1656—1742) вычислил орбиты нескольких комет, появлявшихся ранее, и обнаружил, что орбиты комет, наблюдавшихся в 1531, 1607 и 1682 гг., очень похожи. Он предположил, что это была одна и та же комета, периодически возвращающаяся к Солнцу, и впервые предсказал ее очередное появление. В 1756 г. (уже после смерти ученого) комета действительно появилась и получила название кометы Галлея. Так была положена традиция называть кометы именами их первооткрывателей. Оказалось, что комета Галлея в афелии уходит за орбиту Нептуна, но затем вновь возвращается в окрестности Солнца, имея период обращения около 76 лет (рис. 4.24). Со времен Ньютона и Галлея вычислены орбиты более чем 700 комет.
Короткопериодические кометы (периоды обращения от трех до десяти лет), двигаясь по вытянутым эллиптическим орбитам, удаляются от Солнца на 5 — 8 а. е. Наряду с ними существуют долгопериодические кометы, подобные комете Галлея, но уходящие в афелии за пределы планетной системы. Среди комет немало таких, которые наблюдались всего один раз и могут вернуться только через несколько столетий. В тех случаях, когда удается с достаточной точностью определить орбиту кометы, не представляет труда с помощью компьютера вычислить ее положение в пространстве и указать, где и когда она будет видна. Сближение комет с планетами позволяет определить их массу, которая не превышает тысячных долей массы земной атмосферы и в сотни миллионов раз меньше массы земного шара. Однако такая планета, как Юпитер, своим тяготением может существенно изменить форму орбиты и период обращения кометы. Тогда она может быть «потеряна».
Ежегодно наблюдается 15—20 комет, большинство которых видны только в телескоп. Некоторые из них оказываются новыми, неизвестными ранее. Так случилось, например, недавно, когда в 1996 и 1997 гг. появились две очень яркие, видимые даже невооруженным глазом кометы, хотя обычно такие кометы появляются раз в 10—15 лет. (Рис. 4.25) По традиции они названы фамилиями тех, кто их открыл. Это японский любитель астрономии Хиякутаки и два американца — Хейл и Бопп.
Иногда у кометы образуется несколько хвостов различной длины и формы. Их классификация была предложена выдающимся русским ученым Федором Александровичем Бредихиным (1831— 1904): I тип — длинный хвост, направленный почти прямо от Солнца; II тип — изогнутый и отклоненный от этого направления; III тип— короткий, почти прямой и отклоненный (рис. 4.26). Хвосты образуются частицами разного рода, для которых соотношение сил притяжения к Солнцу и сил, действующих в противоположном направлении, неодинаково. Во времена Бредихина в расчет принималось лишь давление света; в настоящее время известно, что не менее существенную роль в формировании кометного хвоста играет солнечный ветер — поток заряженных частиц, летящих от Солнца. Солнечное излучение вызывает распад молекул, вылетевших из кометного ядра, а также образование ионов. Именно ионы атомов и молекул образуют плазменные хвосты I типа. Воздействие солнечного ветра на ионы кометного хвоста, которое в тысячи раз сильнее их притяжения Солнцем, нередко вызывает изломы хвостов I типа. Хвосты II типа составляют непрерывно выделяющиеся из ядра пылинки. Если же из ядра вылетает сразу целое облако пылинок, то появляются хвосты III типа. Пылинки, различные по размерам и массе, получают различные ускорения, поэтому облако вытягивается и образует хвост.
Несмотря на внушительные размеры хвоста, который может превышать в длину 100 млн км, и головы, которая по диаметру может превосходить Солнце, кометы справедливо называют «видимое ничто». Практически все их вещество сосредоточено в небольшом ядре, которое удалось увидеть только с космических аппаратов, пролетевших в непосредственной близости от него. В 1986 г. КА «Вега-2» прошел на расстоянии 8000 км от ядра кометы Галлея, а КА «Джотто» — на расстоянии 600 км. Оказалось, что ядро имеет длину всего 14 км, а ширину и толщину вдвое меньше (рис. 4.27). Оно представляет собой снежно-ледяную глыбу с примесью замерзших газов (циана, аммиака, углекислого газа и других соединений) и вкраплением мелких твердых частиц различного химического состава. В этом «грязном мартовском сугробе», как часто называют кометные ядра, содержится примерно столько замерзшей воды, сколько в снежном покрове, выпавшем за одну зиму на территории Московской области. Интенсивное испарение замерзших газов из ядра начинается после того, как комета пересечет орбиту Юпитера. Газы захватывают с собой пыль и вместе с ней образуют голову кометы (ее атмосферу), а также хвост. В момент сближения космических аппаратов с ядром (на расстоянии 0,8 а. е. от Солнца) была измерена его температура, которая составила около 350 К. С поверхности ядра, покрытой темным пористым веществом, каждую секунду испарялось примерно 40 т вещества — в основном воды. Примерно за сутки поверхностный слой полностью обновлялся — взамен улетевших пылинок «вытаивали» новые.
Предполагается, что общее число комет в Солнечной системе превышает десятки миллиардов. Считается, что Солнечная система окружена одним или даже несколькими облаками комет, которые движутся вокруг Солнца на расстояниях, которые в тысячи и десятки тысяч раз больше, чем расстояние до самой дальней планеты Плутон (рис. 4.28). Там, в этом космическом сейфе-холодильнике кометные ядра «хранятся» на протяжении миллиардов лет с момента образования Солнечной системы. Некоторые из них попадают внутрь планетной системы и наблюдаются как новые кометы. После этого, вследствие постоянной потери вещества, ядро кометы уже не может существовать долго. Твердые частицы, потерянные кометой, движутся в Солнечной системе самостоятельно.
Вверх
20.3 Метеоры, болиды и метеориты
Метеоры, которые в старину называли «падающими звездами», можно видеть практически в любую ясную ночь, если только не мешает свет Луны. Явление метеора вызывается метеорными телами — мелкими камешками и песчинками, влетающими в атмосферу Земли со скоростями в десятки километров в секунду. В спектре вспыхнувшего метеора наблюдаются линии кремния, кальция, железа и других металлов. Теряя скорость при торможении в атмосфере, метеорные тела разогреваются, испаряются и практически полностью разрушаются, не долетев до поверхности Земли. На своем пути они ионизуют молекулы воздуха. Благодаря этому светящийся метеорный след отражает радиоволны, что позволяет с помощью радиолокаторов наблюдать метеоры не только ночью, но и днем.
Фотографируя один и тот же метеор из пунктов, отстоящих друг от друга на расстоянии 20—30 км, можно определить его параллактическое смещение и вычислить, на какой высоте он появился и на какой исчез. Обычно это происходит на высотах от 130 до 80 км. Если при фотографировании использовать камеру, объектив которой периодически перекрывается вращающимся затвором, то по полученному прерывистому следу можно оценить скорость метеора (рис. 4.29).
Метеорные тела, догоняющие Землю, влетают в ее атмосферу со скоростью не менее 11 км/с, а летящие навстречу — 60-75 км/с.
Они имеют массу от миллиграммов до нескольких граммов. Оставшаяся после разрушения этих тел мелкая пыль постепенно оседает на поверхность Земли.
Метеорные потоки наблюдаются ежегодно в определенные на звездном небе ночи, когда несколько (а иногда несколько десятков) метеоров каждый час вылетают из определенной области неба, называемой радиантом. Такие метеорные потоки получают названия по имени созвездия, в котором расположен их радиант, например Дракониды, Леониды, Персеиды. Наличие радианта означает, что до встречи с Землей метеорные тела двигались почти параллельно, по близким орбитам. Еще во второй половине XIX в. удалось установить, что орбита частиц метеорного потока Персеид практически совпадает с орбитой одной из комет. Особенно очевидной связь метеорных потоков с кометами стала после наблюдений за кометой Биэлы, открытой еще в 1772 г. и регулярно возвращавшейся каждые семь лет. В 1846 г. она распалась на две самостоятельные кометы, а с 1872 г. вместо них ежегодно в конце ноября стал наблюдаться метеорный поток.
Потерянные ядром кометы твердые частицы растягиваются вдоль всей орбиты, по которой движется комета, и образуют огромный тор из метеорного вещества (рис. 4.30). Частицы этого тора встречаются на пути нашей планеты в определенном месте ее орбиты. Так, например, с орбитой кометы Галлея Земля сближается дважды в год — 4 мая и 22 октября. На это время приходятся два метеорных потока — майские Аквариды и Ориониды. Поскольку метеорное вещество распределяется по орбите неравномерно, активность некоторых метеорных потоков периодически меняется. Так, метеорный поток Леониды дает обильные метеорные дожди каждые 33 года.
Наблюдения метеорных потоков, имеющие научную ценность, могут проводить и успешно проводят юные любители астрономии.
Когда в атмосферу Земли попадает из космического пространства крупное тело, наблюдается явление, называемое болидом. Болиды имеют вид огненного шара и оставляют после своего полета след, который иногда можно наблюдать в течение 15—20 мин. Наиболее яркие болиды видны даже днем.
В отдельных случаях тело, вызвавшее появление болида, не успевает до конца испариться в атмосфере и падает на поверхность Земли в виде метеорита. Считается, что в течение года на Землю выпадает около 2000 метеоритов.
По химическому составу различают каменные, железные и железокаменные метеориты. Железные метеориты состоят в основном из никелистого железа, содержащего 90% железа и 9% никеля. Подобное соотношение не встречается в земных минералах, так что железные метеориты достаточно легко отличить от пород земного происхождения (рис. 4.31). На их отполированной поверхности при травлении кислотой появляется своеобразная система продольных и поперечных полос (рис. 4.32). Такая структура возникает, когда расплавленные породы медленно остывают внутри тел диаметром свыше 200—300 км. Эти и другие данные свидетельствуют о том, что метеориты являются обломками астероидов.
Каменные метеориты составляют более 90% всех падающих на Землю метеоритов. Для большинства из них характерно наличие в их составе хондр — мелких круглых частиц размером от нескольких микрометров до сантиметра (рис. 4.33). Соотношение содержащихся в этих шариках серовато-коричневого цвета химических элементов точно такое же, как и в атмосфере Солнца. Возможно, в хондрах «законсервировано» вещество протопланетного облака.
В составе метеоритов обнаружено значительно меньшее число минералов, чем в земных горных породах. Это позволяет судить о процессах, которые происходили на ранних стадиях формирования Солнечной системы.
Кратеры на планетах земной группы, Луне и других спутниках планет имеют метеоритное происхождение. На Земле методами аэрофотосъемки обнаружено около 130 подобных кратеров; их стали называть астроблемами. Одним из наиболее известных является Аризонский метеоритный кратер (США), имеющий диаметр более 1200 м и глубину 200 м (рис. 4.34). Считается, что образовался этот кратер примерно 5000 лет тому назад. Расчеты показывают, что для его образования метеоритное тело должно иметь массу более 100 000 т.
К числу крупнейших метеоритов, падение которых наблюдалось, принадлежит Сихотэ-Алинский массой около 100 т. Железный метеоритный дождь выпал 12 февраля 1947 г. в уссурийской тайге, так как в воздухе метеорит распался на тысячи кусков, поскольку состоял из непрочно скрепленных между собой железоникелевых кристаллов различного размера. Наиболее крупные из них массой в несколько тонн, достигнув земли с большой скоростью, образовали более сотни кратеров и воронок. Самый большой из кратеров имел диаметр около 26 м и глубину 6 м.
Мощным взрывом завершился полет огненного шара, наблюдавшийся 30 июня 1908 г. в Сибири и получивший название Тунгусского метеорита. При этом были повалены почти все деревья Аризонский на площади поперечником около метеоритный кратер 40 км. Однако, несмотря на многолетние тщательные поиски, ни самого метеорита, ни метеоритного кратера найти не удалось. Вероятнее всего, в атмосферу Земли влетело ядро небольшой кометы, разрушение которого имело характер взрыва и произошло на высоте нескольких километров. Образовавшаяся при этом взрывная волна вызвала вывал леса, но для образования кратера ее энергия оказалась недостаточной. Твердые частицы в виде шариков диаметром не более 1 мм, которые найдены в этом районе, очень похожи на те, которые встречаются на местах падения многих крупных метеоритов. Видимо, это все, что осталось от ядра кометы после его взрыва.
Вопросы
1. Как отличить при наблюдениях астероид от звезды?
2. Какова форма большинства астероидов? Каковы примерно их размеры?
3. Чем обусловлено образование хвостов комет?
4. В каком состоянии находится вещество ядра кометы? ее хвоста?
5. Может ли комета, которая периодически возвращается к Солнцу, оставаться неизменной?
6. Какие явления наблюдаются при полете в атмосфере тел с космической скоростью?
7. Какие типы метеоритов выделяются по химическому составу?
Упражнение 16
1. После захода Солнца на западе видна комета. Как относительно горизонта направлен ее хвост?
2. Какова большая полуось орбиты кометы Галлея, если период ее обращения 76 лет?
3. Сравните причины свечения планеты и кометы. Какие различия в их спектрах обусловлены этими причинами?
4. Орбиты двух комет лежат в плоскости земной орбиты, наименьшие их расстояния от Солнца составляют 0,5 и 2 а. е. Каждая из комет имеет на этом расстоянии хвост длиной 150 млн км. Могут ли эти кометы своим хвостом «зацепить» Землю? Полезно сделать чертеж.
5. Опишите, какие превращения может испытать молекула воды, входившая в состав ядра кометы, под действием солнечного излучения.
6. Оцените примерную ширину метеорного потока Персеид, зная, что метеоры этого потока наблюдаются с 17 июля по 24 августа.
<<< Вверх >>>