Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Механизмы пылеобразования и пылевыделения в кометах s
І. Кометная пыль в Солнечной системе 9
2, Пылеобразование и пылевыделение в кометах . 16
8« "Блистер-эффект" как возможная причина образования кометной пыли
4. Гипотеза о наличии у комет псевдоядер . . 36
Основные выводы 3
Глава II. Лабораторное исследование структуры пылинокагрегационного происхождения
I. Методика получения и объемная плотность солевых матриц 4І
2. Исследование солевых матриц методом электронографии 48
3. Миграция нелетучих примесей на поверхности сублимирующего льда 52
4. Морфология матриц из неорганических и органических соединений . . 53
5. Удлинение структурных элементов солевых матриц 65
6. Сверхтонкая структура матриц 70
7. Термодеструкция солевых матриц 77
91
8. Возможные пути образования пористой кометной пыли
Основные выводы
Глава III Экспериментальное исследование физико-механических свойств солевых матриц 92
I. Первые работы по изучению прочности пылевых и солевых матриц 92
2. Методика определения прочностных характеристик пористых материалов 95
3. Экспериментальные установки для исследования физико-механических свойств солевых матриц. . 105
4'» Результаты исследования прочностных характеристик солевых матриц 108
5. О возможности разрушения солевых матриц на поверхности ядер комет !23
6, Ожидаемые высоты дробления метеороидов из фрагментов солевых матриц в атмосфере Земли 126
7. Возможная природа кометных псевдосинхрон .
Основные выводы IS3
Глава ІV. Нормальный ход светимости комет с гелиоцентрическим расстоянием 135
1 Физические и математические модели свечения комет 135
2. Надежность прогнозирования свечения комет . 141
3. Изменение фотометрических показателей светимости комет при сближении их с Солнцем . . 143
4. Кометное облако льдистых тел и его эволюция . 144
5. Темп увеличения поверхности кометного облака льдистых тел 150
6. Фотометрический показатель светимости комет в континууме 158
7. Определение абсолютного блеска комет. .... -^
8. Свечение газовой составляющей кометных атмосфер 167
9. Обсуждение результатов ...... I7i
Основные выводы J75
Заключение ....... 177
Литература 178
Приложение. Ожидаемые фотометрические показатели светимости комет в континууме At в зависимости от интервала наблюдений. 199
Таблица I. Кометы семейства Юпитера 199
Таблица 2. Кометы семейства Сатурна ........ 208
Таблица 3. Кометы семейства Урана . . 211
Таблица 4-. Кометы семейства Нептуна . . 213
Таблица 5. Кометы с параболическими орбитами . . . 21?
- Кометная пыль в Солнечной системе
- Методика получения и объемная плотность солевых матриц
- Первые работы по изучению прочности пылевых и солевых матриц
- Физические и математические модели свечения комет
Введение к работе
Актуальность темы. Развитие большинства характерных кометних форм определяется процессами пылеобразования и пылевы-деления. Это обстоятельство приводит к необходимости изучения физических механизмов, обеспечивающих поступление пыли в атмосферу кометы.
Кометы вносят существенный вклад в пополнение пылевой компоненты межпланетной среды. В этой связи особое значение приобретает изучение структуры кометной пыли и характера влияния на нее солнечной радиации.
Практическое значение исследования комет связывают обычно с возможностью их использования в качестве естественных зондов космического пространства, что может быть реализовано только при наличии точных сведений о составе и структуре ядер, а также о характере нестационарных процессов, протекающих при сближении комет с солнцем.
Однако, интерпретация данных фотометрических и поляриметрических наблюдений комет не позволяет получать однозначные выводы об особенностях развития кометы как явления. Поэтому в последние годы важную роль в исследовании комет начинает играть такой метод, как лабораторное моделирование, поскольку он способен выявить наиболее адекватные физические модели изучаемых процессов.
В настоящее время стали возможны наблюдения комет, находящихся на больших гелиоцентрических расстояниях. Они свидетельствуют о том, что кометные атмосферы сильно запылены на удаленных участках орбит. Этот факт непонятен с точки зрения традиционных представлений. Для его объяснения выдвигаются различные предположения, которые нуждаются в экспериментальной проверке.
Таким образом, актуальность экспериментального и теоретического моделирования процессов пылеобразования и пылевыделе-ния в условиях комет обусловлена необходимостью совершенствования физической модели кометы, как явления, для широкого диапазона гелиоцентрических расстояний.
Целью настоящей работы явилось исследование свойств пыли, которая может образовываться в условиях комет на поверхности сублимирующих льдов при агрегации содержащихся в них молекул нелетучих соединений. Это обусловило постановку следующих задач.
Изучение морфологии солевых матриц, получаемых при сублимации в вакууме замороженных водных растворов различных химических соединений,
Измерение прочностных характеристик солевых матриц.
Исследование тепловой деструкции солевых матриц.
Необходимо было также рассмотреть возможность формирования кометной пыли на больших гелиоцентрических расстояниях и попытаться определить вклад пылевой составляющей в нормальный ход интегральной светимости комет по мере приближения их к Солнцу.
Научная новизна работы определяется следующими основными результатами.
Установлено, что присутствие в атмосферах комет характерной пылевой фракции микронных и субмикронных размеров находит объяснение в рамках агрегационного механизма пылеобразования как результат деструкции рыхлых матриц сложной структуры. Термодеструкция матриц солевого типа и их дробление под действием электростатических сил могут быть ответственны за постоянный приток мельчайшей пыли в близкие окрестности Солнца, откуда она эффективно "выметается" радиационным давлением.
Сложность структуры солевых матриц, а также наличие в продуктах их деструкции большого числа удлиненных частиц может обеспечивать высокую поляризационную активность кометной и межпланетной пыли, что следует учитывать при интерпретации наблюдательных данных.
Результаты исследования прочностных свойств пыли агрега-ционного происхождения заставляют предполагать, что ее генерация, вопреки общепринятому мнению, происходит не на поверхности ядер, а непосредственно в атмосферах.
Модель, учитывающая наличие вблизи кометного ядра нестационарного облака льдистых тел, позволяет по-новому подойти к описанию нормального развития интегральной светимости комет с гелиоцентрическим расстоянием и связать особенности их свечения с параметрами орбит. При таком подходе становятся понятными некоторые, считавшиеся до настоящего времени аномальными, особенности свечения комет.
Практическая ценность работы заключается в том, что ее результаты могут быть использованы для интерпретации наблюдательных данных по кометам и для прогнозирования хода яркости вновь открываемых комет.
На защиту выносятся;
Результаты лабораторного исследования морфологии и фазового состояния вещества в солевых матрицах, которые образуются на поверхности сублимирующих льдов из молекул нелетучих примесей.
Модельные эксперименты по термодеструкции пылинок аг- регационного происхождения в условиях межпланетного пространства.
8» Результаты изучения прочностных свойств солевых матриц и их астрофизические приложения.
4. Анализ нормального хода интегральной светимости комет с гелиоцентрическим расстоянием в предположении о наличии вблизи кометного ядра нестационарного облака льдистых тел.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на У Всесоюзной Астрофизической конференции, посвященной 250-летию АН СССР и 135-летию ГАО АН СССР в 1974 г. (Пулково), IX Всесоюзной конференции по физике и динамике комет и астероидов в 1976 г. (г.Киев), Всесоюзном семинаре-совещании по физике и динамике комет и малых планет в 1980 г. (г.Душанбе), Всесоюзной конференции по физике и динамике малых тел Солнечной системы в 1982 г. (г.Душанбе), на Всесоюзном совещании по физике и космогонии комет в 1983 г. (г.Киев), а также на научных семинарах в Физико-техническом институте имени А.Ф.Иоффе АН СССР, в институте Астрофизики АН Тадж.ССР и в институте Теоретической астрономии АН СССР.
Кометная пыль в Солнечной системе
Информация о химическом составе, дисперсности и структуре кометной пыли представляет интерес не только для кометологии, но и для других разделов астрофизики.
I. Проблема происхождения Солнечной системы Из наблюдений следует, что кометы содержат большое количество летучих компонент. Это говорит в пользу того, что их ядра образовались далеко от Солнца в холодных областях прото-планетного облака посредством аккреции досолнечных межзвездных пылинок /З/. В дальнейшем последние оказались "законсервированными" и не подвергались существенной перестройке как в силу пренебрежимо малой собственной гравитации ядер, так и вследствие минимального нагрева в течение аккреционной и постаккреционной фаз образования планетвзималей. Кометы - одни из немногих тел Солнечной системы, которые сохранились с самых ранних стадий ее формирования без заметной трансформации. Поэтому исследование химического состава их ядер может стать решающим в изучении происхождения Солнечной системы и состава межзвездных облаков. В подтверждение этого следует отметить, что спектры комет в инфракрасном диапазоне очень похожи на спектры околозвездной пыли и излучения туманностей /4/.
В спектрах комет Беннета 1970 П, Когоутека 1973 УШ, Бред-филда 1974Ь и Веста 1975п наблюдалась эмиссионная особенность на длине волны Л= 9,7 мкм /4,5,6/. Сравнение спектров этих комет с лабораторными спектрами некоторых метеоритов, а также земных силикатных минералов (см.рис.1), позволило сделать заключение, что вещество комет вероятнее всего представляет собой аморфные силикаты (оливин или анорфит) с гидратиро-ванным слоем /7/. Однако, в пределах точности ИК наблюдений пока не представляется возможным детально исследовать различия в химическом составе межзвездной, околосолнечной и кометной пыли. В этой связи, по мнению большинства исследователей, наиболее важным шагом в выяснении особенностей формирования Солнечной системы станут космические полеты к кометам /8,9/.
Методика получения и объемная плотность солевых матриц
Для получения солевых матриц использовались замороженные водные растворы различных соединений /107/, которые приготавливались вне вакуумной камеры из химических реактивов марки "химически чистый" или "чистый для анализа". Растворы заливались в небольшие тонкостенные никелевые кюветы и замораживались с помощью жидкого азота. Время замораживания - от 3 до 5 сек. Процедура обезвоживания проводилась в вакуумной камере I (см.рис.2), в которую в специальном термостате 3 помещались кюветы с замороженными растворами 4. Температура образцов контролировалась с помощью медно-константановой термопары 5 и поддерживалась на уровне, необходимом для их полного обезвоживания за время порядка 8 часов. Завершение процесса сублимации льда из кювет определялось по резкому уменьшению давления в вакуумной камере при уменьшении потока молекул Нг 0. Давление остаточных газов измерялось посредством термопарного ПМТ-2 и ионизационного ПМИ-2 манометров 6.
Полученные таким образом пористые образцы солевых матриц извлекались из вакуумной камеры и поступали на исследование или хранение. В случае необходимости хранение образцов производилось в гидрофильной среде во избежание поглощения атмосфер ной влаги, изменяющей свойства матриц.
Следует отметить, что начальной стадией и важнейшей особенностью формирования матриц из замороженных водных растворов является процесс сегрегации примесей при замораживании. Он заключается в вытеснении молекул примесей за пределы фронта кристаллизации растворителя.
Первые работы по изучению прочности пылевых и солевых матриц
Еще в 60-х годах эксперименты по сублимации запыленных льдов в вакууме показали, что процесс разрушения пористого поверхностного слоя образца при подведении к нему энергии реализуется лишь начиная с некоторой критической температуры. В работах /53, 54/ на основании результатов лабораторных опытов был сделан вывод о том, что на расстояниях комет от Солнца,где температура ядра Т 190 К, сброс пылевых матриц с поверхности кометного ядра практически невозможен, а на меньших расстояниях он существенно зависит от гранулометрии и исходной концентрации пыли и примесей во льду. Впоследствии этот вывод был подтвержден /55/.
Поток газов с поверхности сублимирующего льда способен увлечь те несвязанные пылевые частицы, в частности, фрагменты пылевых и солевых матриц, для которых выполняется условие преобладания газодинамического давления со стороны потока летучих компонент над силой притяжения кометным ядром
где:
U - диаметр пылинки;
О - плотность пылинки;
Ок- гравитационное ускорение на поверхности льда;
Р - равновесное давление летучих компонент. При наличии между пылинкой и ледяной подложкой адгезии неравенство (Ш-І) примет вид:
Разрушающая сила газового потока определяется величиной равновесного давления Р, входящего в левые части неравенств (Ш-І) и (Ш-2). В 1967 году было осуществлено эксперименталь - 94 ное исследование зависимости Р от температуры для чистого водяного льда /60, 147/. Установлено, что результаты опытов с большой точностью описываются соотношениями классической газокинетической теории, когда температура льда ниже 225 К. Отсюда следует, что для равновесных температур, соответствующих гелиоцентрическому расстоянию Ґ , равному I а.е., величина Р имеет порядок Ю"7кГ/см Если пренебречь силой сцепления пылинки с поверхностью, на которой она расположена, то выражение (Ш-І) может быть использовано для оценки верхнего предела плотности пылинки, уносимой газом, при известных Ри , Для 2-километрового ядра из чистого водяного льда на гелиоцентрическом расстоянии в I а.е., таким образом, будем иметь J 5.10 "3г/см3.
Физические и математические модели свечения комет
Ньютон считал, что кометы светят отраженным солнечным светом, и нормальный ход их видимой яркости о определяется выражением :Д, - постоянная блеска кометы, т.е. ее яркость при Г= Д = I а.е. с учетом атмосферной экстинкции.
Позже было установлено, что наблюдения не подтверждают зависимость (ІУ-І). Фотометрический показатель п , характеризующий изменение яркости комет с гелиоцентрическим расстоянием, в действительности больше, чем . Поэтому в I9II году С.В.Орлов предложил вычислять его по данным наблюдений совместно с фотометрическим параметром Н0 - абсолютной звездной величиной кометы по формуле: где: /71- наблюдаемая звездная величина кометы; Ие- звездная величина кометы при Г- Л - I а.е. Для приведенной звездной величины кометы, определяемой как блеск ее на расстоянии от Земли Л= I а.е., т.е. /77,= =т-Ь СОД , в этом случае можно записать: /п, =Но + 2 5-п,-&}Г (ІУ-3) С.К.Всехсвятским было установлено, что в зоне уверенной наблюдаемости комет ґ Z а.е. среднестатистический фотометрический показатель П = 4 /182/, т.е.:
Последнее чисто эмпирическое выражение широко используется для оценок абсолютных звездных величин комет и прогнозов их яркости в перигелии /183/. К сожалению, зависимость эта до сих пор не имеет физической трактовки, что неоднократно отмечалось в литературе /50/. Для многих комет отмечаются несомненные систематические отклонения от хода светимости, описываемого выражением (ІУ-4) Так как механизм изменения яркости комет с гелиоцентрическим расстоянием не известен, то многие исследователи прибегают к математическому моделированию этого процесса /185, 186/. Так, методом регрессионного анализа и анализа разномер-ностей было построено несколько независимых математических моделей, описывающих ход яркости комет.
