2020-05-12
194
Задание.
1. Прочитать материал по учебнику Воронцов-Вельяминов Б.А Астрономия 11.: с 114-128 § 20
2. Написать конспект по материалу: в этом документе. На вопросы после параграфов отвечаете после конспекта письменно.
3. Прислать фото или сканированный ответ в комментариях.(Если фотография окажется «нечитаемой», то я не смогу проверить вашу работу.)
АСТЕРОИДЫ И МЕТЕОРИТЫ
1. Закономерность в расстояниях планет от Солнца и пояс астероидов. Ещё в XVIII в. астрономы пытались найти планету, орбита которой проходит в пространстве между орбитами Марса и Юпитера. Уже в то время было известно соотношение, позволяющее приближённо вычислять в астрономических единицах расстояния планет от Солнца. Это соотношение (правило Тициуса—Боде) может быть записано в виде
r = 0,3 ∙ 2 п + 0,4, (25)
где r — среднее расстояние планеты от Солнца (в а. е.). Для вычислений по формуле (25) нужно принять среднее расстояние Меркурия от Солнца равным 0,4 а. е. (п = ∞), а расстояния других планет получатся, если подставить в формулу различные значения п (0 — для Венеры, 1 — для Земли, 2 — для Марса, 3 — для предполагаемой планеты, 4 — для Юпитера и т. д.).
Вы сами можете убедиться, что для всех планет, включая Уран, формула (25) даёт удовлетворительные значения, а для Нептуна она непригодна. Но в XVIII в. планет, более далёких от Солнца, чем Уран, ещё не знали и формулу считали точной. Поэтому естественно было, руководствуясь формулой (25), искать планету, для которой п = 3 и r = 2,8 а. е. Такой планеты в Солнечной системе не существует. Однако в самом начале XIX в. итальянский астроном Пиацци (1746—1826) случайно открыл первую малую планету (астероид). Она была названа Церерой. В дальнейшем было открыто много других малых планет, образующих Главный пояс астероидов между орбитами Марса и Юпитера. Церера (её диаметр около 1000 км) относится теперь к карликовым планетам.
2. Движение астероидов. На фотографиях звёздного неба, снятых с большими экспозициями, астероиды получаются в виде светлых чёрточек. Зарегистрированы тысячи малых планет. Общее число астероидов должно быть в десятки раз больше. Астероиды, орбиты которых установлены, получают обозначения (порядковые номера) и названия. Некоторые новые астероиды названы в честь великих людей (1379 Ломоносов), государств (1541 Эстония, 1554 Югославия), обсерваторий (1373 Цинциннати) и т. д.
Астероиды движутся вокруг Солнца в ту же сторону, что и большие планеты. Их орбиты имеют большие эксцентриситеты (в среднем 0,15), чем орбиты больших планет. Некоторые из них в афелии удаляются за орбиту Сатурна, другие в перигелии приближаются к Марсу и Земле. Например, астероид Гермес в октябре 1937 г. прошёл от Земли на расстоянии 580 тыс. км (всего лишь в полтора раза дальше Луны). В марте 1989 г. астероид размером около 300 м пролетел на расстоянии менее 650 тыс. км от Земли. Подобное событие произошло в январе 2008 г. Астероид Икар попадает даже внутрь орбиты Меркурия и каждые 19 лет сближается с Землёй. Не исключено, что столкновение крупного астероида с Землёй привело 65 млн лет назад к гибели динозавров. Всё это заставило учёных приступить к разработке эффективных методов своевременного обнаружения и, если понадобится, уничтожения опасных астероидов.
В конце XX в. открыт ещё один пояс астероидов — пояс Койпера, расположенный за орбитой Нептуна и простирающийся от 30 до 55 а. е. от Солнца. Кроме множества астероидов в этой области космоса обнаружено несколько карликовых планет, крупнейшими из которых являются Плутон и Эрида.
3. Физические характеристики астероидов. Астероиды недоступны для наблюдения невооружённым глазом. Большинство астероидов — бесформенные глыбы длиной от нескольких километров до нескольких десятков километров. Массы астероидов хоть и различны, но слишком малы, чтобы эти небесные тела могли удержать атмосферу. Общая масса астероидов Главного пояса примерно в 20 раз меньше массы Луны. Из всех этих астероидов получилась бы одна планета диаметром меньше 1500 км. В последние годы удалось открыть спутники (!) у некоторых астероидов.
Впервые астероид был запечатлён на фото в октябре 1991 г. с борта американского космического корабля «Галилео», запущенного в 1982 г. для исследования Юпитера. Пересекая Главный пояс астероидов, «Галилео» с расстояния всего 16 тыс. км сфотографировал малую планету 951, которую назвали Гаспра (рис. 69). Это типичный астероид. Большая полуось его орбиты 2,21 а. е. Он имеет неправильную форму и, возможно, образовался в результате столкновения более крупных тел в поясе астероидов. На снимках видны кратеры диаметром 1—2 км (освещённая часть астероида 16x12 км) и удаётся различить детали поверхности размером 60—100 м.
Рис. 69. Астероид Гаспра (его размеры 20 х 12 х 11 км)
Спустя 10 лет (в феврале 2001 г.) космический аппарат впервые совершил мягкую посадку на поверхность астероида Эрос.
4. Метеориты. Под действием притяжения планет орбиты астероидов изменяются и могут пересекаться друг с другом. В результате возможны столкновения астероидов и их дробление. Большинство упавших на поверхность Земли каменных и железных метеоритов — обломки астероидов. При движении таких обломков в земной атмосфере возникает мощная ударная волна, в которой температура сжатого воздуха достигает десятков и сотен тысяч кельвинов. В результате диссоциации молекул воздуха и последующей многократной ионизации воздух приобретает свойства плазмы. При столкновении с землёй происходит взрыв.
Как вы уже знаете, в местах падения крупных метеоритов образуются кратеры. Кратеры обнаружены на всех планетах земной группы и на многих спутниках планет. Один из самых больших метеоритных кратеров на Земле находится в штате Аризона (США). Диаметр этого кругового кратера свыше 1200 м, а масса образовавшего его метеорита оценивается примерно в 200 000 т. Сейчас известны десятки больших метеоритных кратеров. Для их поисков в настоящее время применяют аэрофотосъёмку.
30 июня 1908 г. в тайге Центральной Сибири произошло явление, известное как падение Тунгусского метеорита. Взрыв, которым завершился полёт космического тела, повалил лес на площади более 2000 км2, а также вызвал лесной пожар, многочисленные оптические, акустические и сейсмические явления. Взрывная волна обогнула земной шар. На громадной территории до 3—4 июля наблюдались исключительно светлые ночи, во время которых можно было читать мелкий шрифт. Однако ни сам метеорит, ни кратер от его падения обнаружить не удалось.
12 февраля 1947 г. в виде множества железных осколков (метеоритный дождь) упал Сихотэ-Алинский метеорит. Удалось собрать несколько десятков тонн метеоритного вещества (рис. 70).
В настоящее время в распоряжении учёных много метеоритов. Их химический состав тщательно изучен. Железные метеориты состоят в основном из железа (91%) и никеля (8,5%). Каменные метеориты, как и земные горные породы, содержат кислород и кремний, но в них больше, чем в земной коре, таких металлов, как магний, железо и никель. В некоторых каменных метеоритах имеется углерод. Такие метеориты содержат не только уголь и графит, но и углеводороды, а также примеси более сложных органических соединений, включая аминокислоты. Эти сложные вещества могли образоваться в метеоритах из более простых на ранних стадиях развития Солнечной системы. Данные о химическом составе метеоритов позволяют судить о распространённости различных химических элементов в Солнечной системе.
Прежде чем упасть на Землю, метеориты долгое время путешествуют в межпланетном пространстве. Исследование вещества метеоритов и определение их возраста имеют важное значение для определения возраста планет и изучения условий, которые существовали в самый ранний период истории Солнечной системы. Поэтому метеориты представляют большую ценность для науки. Особенно интересны метеориты с Марса и Луны, десятки которых найдены в последние годы во льдах Антарктиды и песках африканских пустынь.
Ушло в прошлое то время, когда «небесным камням» поклонялись как «дарам неба», когда наука категорически отказывалась признавать (до начала XIX в.), что камни могут «падать с неба».
? Вопросы и задания для самоконтроля
1. Существует ли связь между астероидами и метеоритами?
КОМЕТЫ И МЕТЕОРЫ
Вид, строение и открытие комет. Кроме больших и малых планет, вокруг Солнца движутся кометы (рис. 71, 72). Яркие кометы (хвостатые звёзды) своим необычным видом издавна привлекали внимание людей, внушая суеверный ужас.
От других тел Солнечной системы кометы резко отличаются не только своим видом, но и формой орбит, большими размерами, а также сравнительно быстрым, иногда бурным развитием. Вид комет меняется по мере приближения к Солнцу. Вдали от Солнца комета видна как слабое туманное пятнышко, которое перемещается на фоне звёздного неба. Постепенно у кометы развивается хвост, почти всегда направленный от Солнца.
Ежегодно обнаруживают в среднем 6—8 комет. Некоторые из них — это периодические кометы, которые в очередной раз возвратились к Солнцу. Только самые яркие кометы можно наблюдать невооружённым глазом. Часто кометы открывают любители астрономии, регулярно обозревающие звёздное небо в небольшие телескопы.
Основные части кометы: голова, ядро (центральное сгущение) и хвост. Ядра комет по размерам близки небольшим астероидам. Диаметр головы кометы иногда достигает сотен тысяч километров, а хвосты простираются на десятки и сотни миллионов километров. После прохождения перигелия своей орбиты комета начинает постепенно «угасать» и перестаёт быть видимой даже в самые большие телескопы.
2. Орбиты комет. Чтобы рассчитать по формулам небесной механики орбиту кометы, достаточно определить из наблюдений её экваториальные координаты по крайней мере для трёх моментов времени. Первоначально вычисленную орбиту, по которой комета приближается к Солнцу, в дальнейшем уточняют на основе новых наблюдений, так как притяжение планет изменяет орбиту. В настоящее время для вычисления орбит комет применяют быстродействующие компьютеры.
Орбиты большинства комет — сильно вытянутые эллипсы, плоскости которых под разными углами наклонены к плоскости эклиптики. Двигаясь по таким орбитам, кометы в перигелии близко подходят к Солнцу (и к Земле), а в афелии удаляются от него на сотни и тысячи астрономических единиц, уходя далеко за пределы Солнечной системы.
Кометы, эксцентриситеты орбит которых не очень велики, имеют сравнительно небольшие периоды обращения вокруг Солнца. Самый короткий период — у кометы Энке (3,3 года), за которой уже ведутся наблюдения на протяжении полутора веков. Неоднократно приближалась к Солнцу комета Галлея (см. рис. 72), период обращения которой около 76 лет. Последнее прохождение этой кометы через перигелий (на расстоянии менее 0,6 а. е. от Солнца) было 9 февраля 1986 г. Комету Галлея удалось хорошо исследовать не только с Земли, но и с помощью нескольких специально запущенных космических аппаратов. На снимках, переданных с борта АМС «Вега-1», хорошо видно ядро кометы (рис. 73). Оно имеет неправильную форму (с размерами осей 14 и 7 км). От шарообразной отличаются формы и других малых тел Солнечной системы (некоторых спутников планет-гигантов, небольших астероидов).
3. Природа комет. Массу кометы можно оценить, наблюдая за возмущениями, которые появляются в её движении при сближении с планетами. Например, при сближении кометы с Юпитером период её обращения может сильно измениться, а период обращения массивного Юпитера практически остаётся прежним. Значит, масса кометы во много раз меньше массы Юпитера. Сближения комет с Землёй позволили уточнить верхний предел массы комет (10 1 массы Земли).
Вещество кометы сосредоточено в основном в её ядре, которое состоит из смеси замёрзших воды и газов (среди которых есть аммиак, метан, углекислый газ, азот, циан и др.), пылинок, металлических и каменных частиц разных размеров. Основные сведения о химическом составе ядер получены из анализа спектров газов, окружающих ядра комет, а также при сближении космических аппаратов с кометами.
Когда комета приближается к Солнцу, ядро постепенно прогревается, из него выделяются газы и пыль, которые окутывают ядро и образуют голову и хвост кометы. Хвост кометы состоит из очень разреженного вещества, сквозь которое даже просвечивают звёзды.
Ядро кометы и пыль, входящая в состав головы и хвоста, светят отражённым и рассеянным солнечным светом. Холодное свечение газа (флуоресценция) происходит под воздействием солнечного излучения. При сближении космических аппаратов с ядром кометы Галлея удалось определить по инфракрасному излучению его температуру (100 °С). Учёные сравнивают ядро этой кометы с мартовским сугробом (лёд с примесью тугоплавких частиц). Из ядра кометы Галлея постоянно высвобождается много пыли, водяного пара, диоксида углерода, атомарного водорода и кислорода. Поверхностный слой кометы обновляется примерно за сутки.
Чем ближе комета подлетает к Солнцу, тем больше прогревается её ядро, а следовательно, возрастает выделение газов и пыли, но одновременно усиливается и световое давление на неё. Поэтому хвост кометы увеличивается и становится всё более заметным.
Кроме давления света, на хвосты комет действуют потоки заряженных частиц, испускаемых Солнцем (солнечный ветер). Магнитные поля этих потоков могут сообщать большие ускорения ионам, входящим в состав кометных хвостов и возникающим в них под действием солнечного излучения.
От соотношения сил тяготения (притяжение к Солнцу) и отталкивания зависит траектория движения частиц, а значит, и форма кометных хвостов. У массивных частиц силы притяжения преобладают над силами отталкивания.
Если силы отталкивания в сотни раз больше сил притяжения, то хвост будет почти точно направлен от Солнца (I тип, по классификации выдающегося русского астрофизика Ф. А. Бредихина (1831 — 1904)). Небольшая изогнутость пометного хвоста указывает на то, что силы отталкивания лишь в десятки раз превосходят силы притяжения (II тип). Очень изогнутые хвосты (III тип) образуются, когда силы отталкивания примерно равны силам притяжения. Когда силы притяжения больше сил отталкивания (очень крупные пылевые частицы), появляются аномальные хвосты, направленные к Солнцу. Схематически различные типы кометных хвостов изображены на рисунке 74.
В настоящее время кометы играют роль своеобразных «зондов» межпланетного пространства: они позволяют получить ценные сведения о свойствах космического пространства на различных расстояниях от Солнца.
Столкновение Земли с ядром кометы, а тем более прохождение Земли через хвост кометы, как это было в 1910 г., не может привести нашу планету к гибели. Но, согласно одной из гипотез, Тунгусский метеорит как раз и был ядром небольшой кометы, взорвавшимся над земной поверхностью. А в июле 1994 г. произошло столкновение одной из комет с Юпитером (комета Шумейкеров— Леви 9). Поэтому астероидно-кометную опасность игнорировать недопустимо, и учёные сейчас разрабатывают программы предупреждения опасных сближений и защиты от них.
Метеоры и болиды. «Падающие звёзды», или метеоры, часто привлекают наше внимание в ясные безлунные ночи. Природа метеоров веками оставалась неразгаданной, хотя уже давно было ясно, что метеоры ничего общего со звёздами не имеют.
Если из двух пунктов, разделённых десятками километров, одновременно сфотографировать метеор или при визуальных наблюдениях нанести его путь на звёздную карту, то окажется, что вследствие параллактического смещения наблюдатели зафиксируют метеор на фоне разных звёзд. Зная параллактическое смещение и расстояние между пунктами наблюдения, легко найти высоту метеора. Установив перед фотоаппаратом равномерно вращающийся сектор, периодически закрывающий объектив, получают на фотографии прерывистый след, по которому можно определить скорость движущегося метеорного тела. Метеор — это явление вспышки небольшого (размером с горошину) метеорного тела, вторгшегося со скоростью от 11 до 73 км/с в земную атмосферу. Высота возгорания (от 120 до 80 км) зависит от массы и скорости метеорного тела. Чем больше масса и скорость метеорного тела, тем ярче метеор.
Вторжение массивных метеорных тел вызывает очень яркие метеоры (болиды), нередко имеющие вид огненных шаров со светящимися хвостами. Некоторые болиды можно видеть даже днём.
Что же происходит при движении метеорного тела в атмосфере Земли? Взаимодействуя с молекулами воздуха, метеорное тело теряет свою скорость, нагревается, начинает испаряться, иногда дробится. Вокруг него образуется облачко из раскалённых газов. В результате этих процессов масса метеорного тела непрерывно уменьшается; почти все метеорные частицы распыляются, не долетев до Земли. Пролетая в земной атмосфере, метеорное тело ионизует молекулы воздуха, оставляя за собой светящийся след. От ионизованных метеорных следов хорошо отражаются радиоволны. Благодаря этому метеоры можно наблюдать не только визуальным и фотографическим, но и радиолокационным методом.
Метеорные потоки. Ежегодно в одни и те же ночи (например, 12 августа) можно наблюдать особенно много метеоров. Если в это время нанести видимые пути метеоров на звёздную карту, то легко найти небольшой участок неба — радиант, из которого, как нам кажется, вылетают метеоры. Так, радиант августовских метеоров находится в созвездии Персея (метеорный поток Персеиды). С давних времён известны метеорные дожди Леониды (радиант метеорного потока в созвездии Льва). Леониды бывают ежегодно в ноябре, но наиболее интенсивные потоки повторяются через 33 года. Таким, например, был дождь в 1833 г. Очевидцы сравнивали его со снежной метелью. Обильный дождь Леонид в соответствии с предсказаниями астрономов наблюдался в ноябре 1966 г.
Метеорные потоки (а их известно сейчас более 30) наблюдаются в тех случаях, когда Земля встречается с роем метеорных тел, которые движутся приблизительно по одной орбите. Наблюдения показывают, что метеорные рои движутся по орбитам старых, уже разрушившихся комет. Следовательно, кометы, разрушаясь, порождают метеорные рои. Так, например, метеорный поток Ориониды, наблюдающийся с 16 по 26 октября, порождён уже немолодой кометой Галлея.
Кометы связаны не только с метеорами, но и с астероидами. В последнее время удалось доказать, что некоторые астероиды представляют собой ядра бывших короткопериодических комет.
Наблюдениями метеоров успешно занимаются юные любители астрономии. Члены школьных астрономических кружков и обществ наносят пути метеоров на звёздные карты, фотографируют метеоры, определяют их высоты и скорости, производят подсчёт метеоров в потоках, фотографируют спектры метеоров, исследуют их физические свойства. Решением этих и некоторых других задач любители астрономии помогают учёным исследовать распределение метеорной материи в пространстве и движение воздуха в атмосфере Земли.
? Вопросы и задания для самоконтроля
1. Охарактеризуйте физический смысл понятий «метеор», «метеорит», «болид».
2. Опровергните представление о метеорах как «падающих звёздах».
3. Почему иногда происходят метеорные дожди?
