Теорія періодичних комет
КОМЕТА, невелике небесне тіло, що рухається в міжпланетному просторі і рясно виділяє газ при зближенні з Сонцем. З кометами пов'язані різноманітні фізичні процеси, від сублімації (сухе випаровування) льоду до плазмових явищ. Комети - це залишки формування Сонячної системи, перехідний щабель до міжзоряного речовини. Спостереження комет і навіть їх відкриття нерідко здійснюються любителями астрономії. Іноді комети бувають настільки яскравими, що привертають загальну увагу. У минулому поява яскравих комет викликало у людей страх і служило джерелом натхнення для художників і карикатуристів.
Рух і просторовий розподіл.
Ядра комет - це залишки первинної речовини Сонячної системи, що становив протопланетний диск. Тому їх вивчення допомагає відновити картину формування планет, включаючи Землю. В принципі деякі комети могли б приходити до нас з міжзоряного простору, але поки жодна така комета надійно не визначена. Рух газу в хвостах комет показує, що на нього сильно впливають негравітаціонние сили. Світіння газу збуджується сонячним випромінюванням.
Орбіта і швидкість. Рух ядра комети повністю визначається тяжінням Сонця. Форма орбіти комети, як і будь-якого іншого тіла в Сонячній системі, залежить від її швидкості та відстані до Сонця. Середня швидкість тіла обернено пропорційна квадратному кореню з його середньої відстані до Сонця (a). Якщо швидкість завжди перпендикулярна радіусу-вектору, спрямованому від Сонця до тіла, то орбіта кругова, а швидкість називають круговою швидкістю (vc) на відстані a. Швидкість відходу з гравітаційного поля Сонця по параболічної орбіті (vp) в раз більше кругової швидкості на цій відстані. Якщо швидкість комети менше vp, то вона рухається навколо Сонця по еліптичній орбіті і ніколи не покидає Сонячної системи. Але якщо швидкість перевершує vp, то комета один раз проходить повз Сонця і назавжди покидає його, рухаючись по гіперболічної орбіті. На відстані, що відокремлює Землю від Сонця, кругова швидкість дорівнює 29,8 км / с, а параболічна - 42,2 км / с. Поблизу Землі швидкість комети Енке дорівнює 37,1 км / с, а швидкість комети Галлея - 41,6 км / с; саме тому комета Галлея йде значно далі від Сонця, ніж комета Енке.
Класифікація кометних орбіт.
Орбіти у більшості комет еліптичні, тому вони належать Сонячній системі. Правда, у багатьох комет це дуже витягнуті еліпси, близькі до параболи; по ним комети йдуть від Сонця дуже далеко і надовго. Прийнято ділити еліптичні орбіти комет на два основних типи: короткопериодические і долгопериодические (майже параболічні). Прикордонним вважається орбітальний період в 200 років.
РОЗПОДІЛ У ПРОСТОРІ І ПОХОДЖЕННЯ
Ядро. Всі прояви комети так чи інакше пов'язані з ядром. Уіппл припустив, що ядро комети є суцільним тілом, що складається в основному з водяного льоду з частками пилу. Така модель «брудного сніжку» легко пояснює багаторазові прольоти комет поблизу Сонця: при кожному прольоті випаровується тонкий поверхневий шар (0,1-1% повної маси) і зберігається внутрішня частина ядра. Можливо, ядро є конгломератом кількох «кометезімалей», кожна не більше кілометра в діаметрі. Така структура могла б пояснити розпад ядер на частини, як це спостерігалося у комети Бієль в1845 або у комети Веста в 1976.
Блиск. Спостережуваний блиск освітленого Сонцем небесного тіла з незмінною поверхнею змінюється обернено пропорційно квадрату його відстаней від спостерігача і від Сонця. Однак сонячне світло розсіюється в основному газопилової оболонкою комети, ефективна площа якої залежить від швидкості сублімації льоду, а та, в свою чергу, - від теплового потоку, що падає на ядро, який сам змінюється обернено пропорційно квадрату відстані до Сонця. Тому блиск комети повинен змінюватися обернено пропорційно четвертого ступеня відстані до Сонця, що і підтверджують спостереження.
Розмір ядра. Розмір ядра комети можна оцінити зі спостережень в той час, коли воно далеко від Сонця і не оповите газопилової оболонкою. У цьому випадку світло відбивається тільки твердою поверхнею ядра, і його видимий блиск залежить від площі перетину і коефіцієнта відображення (альбедо). У ядра комети Галлея альбедо виявилося дуже низьким - ок. 3%. Якщо це характерно і для інших ядер, то діаметри більшості з них лежать в діапазоні від 0,5 до 25 км.
Сублімація. Перехід речовини з твердого стану в газоподібний важливий для фізики комет. Вимірювання яскравості і спектрів випромінювання комет показали, що плавлення основних льодів починається на відстані 2,5-3,0 а.е. як повинно бути, якщо лід в основному водяний. Це підтвердилося при вивченні комет Галлея і Джакобини - Ціннера. Гази, що спостерігаються першими при зближенні комети з Сонцем (CN, C2), ймовірно, розчинені у водяному льоді і утворюють газові гідрати (клатрати). Яким чином цей «складовою» лід буде сублімувати, в значній мірі залежить від термодинамічних властивостей водяного льоду. Сублімація пило-крижаний суміші відбувається в кілька етапів. Потоки газу і підхоплені ними дрібні і пухнасті пилинки залишають ядро, оскільки тяжіння у його поверхні вкрай слабке. Але щільні або скріплені між собою важкі пилинки газовий потік не забирає, і формується пилова кора. Потім сонячні промені нагрівають пиловий шар, тепло проходить всередину, лід сублімується, і газові потоки прориваються, ламаючи пилову кору. Ці ефекти проявились при спостереженні комети Галлея в 1986: сублімація і відтік газу відбувалися лише в кількох областях ядра комети, освітлених Сонцем. Ймовірно, в цих областях оголився лід, тоді як інша поверхня була закрита корою. Вирвалися на свободу газ і пил формують спостерігаються структури навколо ядра комети
Кома. Порошинки і газ з нейтральних молекул утворюють майже сферичну кому комети. Зазвичай кома тягнеться від 100 тис. До 1 млн. Км від ядра. Тиск світла може деформувати кому, витягнувши її в антісолнечном напрямку.
Воднева корона. Оскільки льоди ядра в основному водяні, то і кома в основному містить молекули H2O. Фотодисоціація руйнує H2O на H і OH, а потім OH - на O і H. Швидкі атоми водню відлітають далеко від ядрапрежде ніж виявляються іонізованних, і утворюють корону, видимий розмір якої часто перевершує сонячний диск.
Хвіст і супутні явища. Хвіст комети може складатися з молекулярної плазми або пилу. Деякі комети мають хвости обох типів.
Пиловий хвіст зазвичай однорідний і тягнеться на мільйони і десятки мільйонів кілометрів. Він утворений порошинами, відкинутими тиском сонячного світла від ядра в антісолнечном напрямку, і має жовтуватий колір, оскільки порошинки просто розсіюють сонячне світло. Структури пилового хвоста можуть пояснюватися
У плазмовому хвості відбуваються і інші явища взаємодії з сонячним вітром, налітають на комету зі швидкістю бл. 400 км / с, яку складають перед нею ударну хвилю, в якій ущільнюється речовина вітру і голови комети. Істотну роль грає процес «захоплення»; суть його в тому, що нейтральні молекули комети вільно проникають в потік сонячного вітру, але відразу після іонізації починають активно взаємодіяти з магнітним полем і прискорюються до значних енергій. Правда, іноді спостерігаються дуже енергійні молекулярні іони, незрозумілі з точки зору зазначеного механізму. Процес захоплення збуджує також плазмові хвилі в гігантському обсязі простору навколо ядра. Спостереження цих явищ має фундаментальний інтерес для фізики плазми.
Чудове видовище «обрив хвоста». Як відомо, в нормальному стані плазмовий хвіст пов'язаний з головою комети магнітним полем. Однак нерідко хвіст відривається від голови і відстає, а на його місці утворюється новий. Це трапляється, коли комета проходить через кордон областей сонячного вітру з протилежно спрямованим магнітним полем. У цей момент магнітна структура хвоста перебудовується, що виглядає як обрив і формування нового хвоста. Складна топологія магнітного поля призводить до прискорення заряджених частинок; можливо, цим пояснюється поява згаданих вище швидких іонів.
Зіткнення в Сонячній системі.
З спостережуваного кількості і орбітальних параметрів комет Е.Епік обчислив вірогідність зіткнення з ядрами комет різного розміру. В середньому 1 раз за 1,5 млрд. Років Земля має шанс зіткнутися з ядром діаметром 17 км, а це може повністю знищити життя на території, що дорівнює площі Північної Америки. За 4,5 млрд. Років історії Землі таке могло траплятися неодноразово. Набагато частіше відбуваються катастрофи меншого масштабу: в 1908 над Сибіром, ймовірно, увійшло в атмосферу і вибухнуло ядро невеличкий комети, викликавши вилягання лісу на великій території.