Основные механизмы воздействия солнечного ветра на Землю

Им же была введена величина отталкивательного ускорения, численное значение которой показывало, во сколько раз сила отталкивания превышает силу тяготения. Но наиболее разработанную механическую теорию кометных хвостов построил Ф.А. Бредихин. Он проанализировал несколько десятков хвостов комет различной величины и обнаружил, что их можно разбить на три обособленные группы.

I тип. По внешнему виду - это прямолинейные хвосты, стелющиеся по продолженному радиусу-вектору; очертания их неправильные, часто винтовой формы; кроме того, хвосты I типа могут состоять из набора отдельных струек или лучей; вдоль таких хвостов с огромным ускорением проносятся сгустки ионизованной кометной материи - облачные образования.

II тип. Сюда относятся хвосты, по внешнему виду напоминающие сильно изогнутый конус и воловий рог. В конце таких хвостов часто наблюдаются полоски дуплетного строения, направленные к ядру кометы. Эти полоски получили название синхрон, так как предполагалось, что они образуются при одновременном (синхронном) выбросе облака вещества из ядра кометы, частицы которого движутся под действием различных отталкивательных сил. Если набор ускорений, с которыми движутся частицы этого облака, начинается от нуля, то и синхрона начинается непосредственно от ядра. Серия последовательных выбросов приводит к образованию нескольких синхрон в хвосте кометы. Синхроны, не выходящие из ядра называются концевыми синхронами. Свечение хвостов II типа характеризуется непрерывным спектром.

III тип. По внешнему виду - это короткие прямые хвосты, представляющие собой одну полную синхрону, начинающуюся непосредственно от ядра; при этом угол отклонения оси хвоста от продолженного радиуса-вектора, т.е. линии, соединяющей Солнце с ядром кометы непрерывно увеличивается. Принцип механической теории, положенной в основу деления хвостов на типы и основанной на различии в силе лучевого давления, действующего на хвосты, оказался совершенно не применимым к ионизованным хвостам, или хвостам 1 типа по Бредихину. В дальнейшем над усовершенствованием Бредихинской классификации хвостов работали С.В. Орлов, К. Вурм и др. Но обойти все трудности механической теории, в основе которой лежала результирующая сила двух взаимно противоположных сил, лучевого давления и тяготения, им так и не удалось. К особому типу относились аномальные хвосты, направленные прямо к Солнцу. Они состоят из крупных пылевых частиц размером 0,1-1 мм, на которые действие светового давления намного меньше силы притяжения к Солнцу. Среди аномальных хвостов комет встречаются псевдоаномальные хвосты, направленные к Солнцу и имеющие значительную протяжённость. Такие хвосты наблюдались, например, у комет 1882г. и Аренда-Ролана (1957) Однако, их направленность к Солнцу объяснялась условиями проектирования, а не реальным движением крупных частиц к Солнцу. Особенно этот эффект становится заметным, когда Земля проходит через плоскость орбиты кометы, и земной наблюдатель видит кометное вещество, рассредоточенное вдоль её орбиты. Орбита как бы материализуется и часть орбиты, направленная к Солнцу, представляется ему в виде прямого хвоста. Если бы это был настоящий аномальный хвост, состоящий из крупных частиц, то по законам Кеплера эти частицы двигались бы с различными скоростями, вследствие чего хвост казался бы искривленным, как у кометы Аренда-Ролана. Так как механическая теория Бредихина имеет ограниченное применение и не в состоянии объяснить многие особенности голов и хвостов комет (например, форму головы - цепная линия, большие ускорения в хвостах, ориентацию хвостов I типа и т.д.), классификацию кометных форм следует производить на другой основе. Например, хвосты можно классифицировать в зависимости от агрегатного состояния вещества, как это было предложено М. Белтоном: I) чистый I тип - плазменные хвосты и 2) чистый II тип - пылевые хвосты. Конечно, термин "чистый" здесь употреблён в относительном смысле, так как хвосты I типа могут накладываться на хвосты II типа, вклад которых в оптику и динамику общего хвоста несуществен. Однако, встречается промежуточный тип хвостов, когда развиваются оба типа хвостов к равноправным вкладам в оптику и динамику. Такие хвосты М.Белтон предлагает называть хвостами смешанного типа. Так как хвосты комет эволюционируют вследствие меняющихся физических условий в межпланетном пространстве, некоторые кометы могут последовательно обладать всеми указанными типами хвостов. Огромное разнообразие кометных хвостов ещё требует более детального обобщения всех их особенностей: динамических, кинематических, химических, агрегатных, структурных и др., и создания на этой основе более строгой научной классификации, чем рассмотренные выше.

2.3 Взаимодействие кометных ионосфер с солнечным ветром

Для потока солнечного ветра развитая кометная атмосфера является препятствием, которое вызывает в нем существенные возмущения.

Интересно, что нейтральная и ионизованная компоненты кометного газа по- разному воздействуют на солнечный ветер. Взаимодействие потока кометных ионов с солнечным ветром происходит в соответствии с взаимодействием двух сплошных сред. Солнечный ветер отделяется от потока кометных ионов тангенциальным (иногда его называют контактным) разрывом, обозначенным. Следует заметить, что разрывы образуются только при взаимодействии сред, которые можно считать сплошными. Через контактный разрыв не могут просачиваться ни кометные ионы и электроны в солнечный ветер, ни протоны и электроны солнечного ветра в кометную ионосферу. С математической точки зрения на контактной поверхности выполняются условия равенства нулю нормальных компонент скорости и равенство давлений обеих ионизованных сред. Для определения формы и кометоцентрического расстояния до поверхности необходимо упрощенное модельное представление.

Нейтральные молекулы имеют длину свободного пробега много больше длины свободного пробега ионов при их взаимодействии с солнечным ветром. При этом кометные нейтралы могут свободно проникать в солнечный ветер через контактную поверхность. Поток нейтральных молекул нельзя считать сплошной средой. На всей трассе их продвижения в солнечный ветер они фотоионизуются солнечной радиацией. Их фотоионизация в области вне контактного разрыва приводит к тому, что вновь образовавшиеся ионы захватываются солнечным ветром, приводя к изменению массы, импульса и энергии последнего. Такой процесс получил название "нагружение" солнечного ветра. Таким образом, солнечный ветер вблизи кометы представляет собой электронно-протонный газ, который загрязнен кометными ионами.

В результате взаимодействие солнечного ветра с кометной атмосферой можно представить как гидродинамическое взаимодействие сверхзвукового источника ионов с поступательным сверхзвуковым потоком загрязненного кометными ионами солнечного ветра. Такой сценарий рассматриваемого физического процесса предложен в классической работе Бирмана, Бросовского и Шмидта.

2.4 Столкновение комет с планетами солнечной системы

межпланетный солнечный ветер астероид

В солнечной системе находится громадное количество небольших тел - астероидов и комет, свидетелей той эпохи, когда происходило образование планет. Время от времени они переходят на орбиты, пересекающиеся с орбитами Земли и других планет. При этом возникает вероятность их столкновения с планетами. Доказательством существования такой вероятности являются гигантские кратеры-астроблемы, которыми испещрены поверхности Марса, Меркурия, Луны, а также необычная ситуация с массой и наклоном оси к плоскости орбиты Урана. Последовательное образование планет из Солнца друг за другом шло с последующим увеличением их масс - Нептун, Уран, Сатурн, Юпитер, но почему сейчас масса Урана оказалась меньше, чем у Нептуна? Естественно, при образовании планетами своих спутников их массы по-разному уменьшаются. В данном случае, причина заключается не только в этом. Обратим внимание на то, что Уран вращается вокруг своей оси “лежа” на плоскости орбиты. Сейчас угол между осью вращения и плоскостью орбиты равняется 8°. Почему Уран, по сравнению с другими планетами, так сильно наклонился? Видимо, причиной этого было столкновение с другим телом. Для того, чтобы сбить такую массивную и не образовавшую твердую оболочку планету, этому телу необходимо было иметь большую массу и высокую скорость. Возможно, это была большая комета, которая в перигелии получила от Солнца большую инерцию. На данный момент Уран имеет массу в 14,6 раз большую, чем Земля, радиус планеты 25400 км, один оборот вокруг оси совершает за 10 час. 50 мин. и скорость движения точек экватора равна 4,1 км/сек. Ускорение свободного падения на поверхности 9,0 м/, (меньше, чем на Земле), вторая космическая скорость 21,4 км/сек. В таких условиях Уран имеет кольцо определенной ширины. Подобное кольцо было и во время столкновения с другим телом.

После столкновения Урана ось внезапно падает и исчезает сила, удерживающая кольцо, и бесчисленное количество кусков различных размеров разбрасывается в межпланетное пространство. Частично они падают на Уран. Таким образом, Уран теряет часть своей массы. Изменение направления оси Урана, возможно, способствовало изменению наклона плоскости орбит его спутников. В будущем, когда Уран начнет вращаться вокруг своей оси с меньшей скоростью, масса, которая сосредоточена в кольце, вернется вновь к нему, т.е. Уран притянет ее к себе и его масса увеличится. У всех планет, кроме Меркурия, Венеры и Юпитера, даже у Сатурна, масса которого в 95 раз больше Земли, оси наклонены к плоскости орбиты. Это говорит о том, что они, как и Уран, сталкивались или с астероидами, или с кометами. Если происходит столкновение планет со своими спутниками, т.е. планеты притягивают их к себе, то в этом случае они падают в области экваторов и поэтому оси планет не отклоняются. Меркурий и Венеру от многих столкновений с астероидами или кометами спасало соседство Солнца, которое притягивало эти астероиды и кометы к себе. А Юпитер, имея огромную массу, проглатывала все ударяющиеся об нее тела и его ось не отклонялась. Труды историков, современные астрономические наблюдения, геологические данные, информация об эволюции биосферы Земли, результаты космических исследований планет свидетельствуют о фактах существования катастрофических столкновений нашей планеты с крупными космическими телами в прошлом. Наша планета не раз за свою историю сталкивалась с крупными космическими телами. Эти столкновения приводили к образованию кратеров, некоторые из которых существуют и поныне, а при самых сильных даже к изменению климата. Одна из основных версий о гибели динозавров сводится к тому, что произошло столкновение Земли и крупного космического тела, вызвавшее сильное изменение климата, напоминающее “ядерную” зиму (падение вызвало сильное запыление атмосферы мелкими частицами, которые препятствовали прохождению света до земной поверхности, тем самым, приведя её к заметному охлаждению).

Можно представить, как бы выглядела бы подобная катастрофа. При приближении к Земле, тело начало бы увеличиваться в размерах. Сначала почти незаметная звезда за короткий срок сменила бы свой блеск на несколько звёздных величин, превратившись в одну из самых ярких звёзд на небе. При кульминации, она своими размерами на небе практически равнялась бы с Луной. При входе в атмосферу, тело обладающее 1- 2ой космической скоростью вызвало бы резкое сжатие и разогрев близлежащих масс воздуха. Если тело имело пористую структуру, то был бы возможен его раскол на более мелкие части, и сгорание основной массы в атмосфере Земли, если нет то произошёл бы только разогрев внешних слоёв тела, небольшое замедление скорости и после столкновения образование единственного кратера больших размеров. При втором варианте событий последствия для жизни на планете были бы апокалипсичны. Разумеется многое зависит от размеров тела. На существование разумной жизни может поставить крест столкновение даже с малым телом, обладающим около нескольких сот метров в диаметре, столкновение с телами большего размера может практически уничтожить жизнь вообще. Полёт тела в атмосфере сопровождался бы звуком похожим на звук от реактивного двигателя, увеличенного в несколько раз. За телом остался бы яркий хвост, образованный сверхразогретыми газами, что представляло бы неописуемое зрелище. При первом варианте на небе были бы видны тысячи болидов, а само зрелище было бы похоже на метеоритный дождь, только заметно превосходило его по силе. Последствия были бы не так катастрофичны как при первом варианте, но крупные болиды, достигнув земной коры, могли бы вызвать некоторые разрушения небольшого масштаба. При попадании крупного тела в земную кору, образовалась бы мощная ударная волна, которая, слившись с волной образовавшийся ещё при полёте, сравняла бы с землёй огромную площадь поверхности. При попадании в океан, поднялась бы мощная волна цунами, которая смыла бы всё с территорий, находящихся в нескольких сотнях километров от береговой линии. На стыке тектонических плит произошли бы сильные землетрясения и извержения вулканов, что повлекло бы новые цунами и выбросы пыли. На много лет на планете установился бы ледниковый период, а жизнь была бы откинута к начальным её формам. Если динозавры вымерли всё-таки по причине столкновения космического тела с Землёй, то оно, скорее всего, имело небольшие размеры и цельную структуру.

Это подтверждает неполное уничтожение жизни, несущественное похолодание климата, а также наличие единственного кратера, предположительно в районе Мексиканского залива. Не исключено, что подобные события происходили не раз. В подтверждение этого некоторые учёные приводят в пример некоторые образования на поверхности Земли. Самые древние кратеры навряд ли сохранились из- за движения земных пород, но научно доказано космическое происхождение некоторых образований. Это: Вольф- Крик (местоположение- Австралия, диаметр- 840 метров, высота вала- 30 метров), Чабб (местоположение- Канада, диаметр примерно равен 3.5 километра, глубина- 500 метров), “каньон Дьявола”- Аризонский метеоритный кратер (местоположение- США, диаметр- 1200 метров, высота над уровнем земной поверхности- 45 метров, глубина- 180 метров), что же касается комет, то столкновение Земли с ядром кометы зарегистрировано не было. Двумя годами позже падения Тунгусского метеорита, в мае 1910 года, Земля прошла сквозь хвост кометы Галлея. При этом на Земле не произошло никаких серьезных изменений, хотя высказывались самые невероятные предположения, в пророчествах и предсказаниях не было недостатка. Газеты пестрели заголовками типа: "Погибнет ли Земля в текущем году?" В сияющем газовом шлейфе, мрачно предрекали знатоки, имеются ядовитые цианистые газы, ожидаются метеоритные бомбардировки и другие экзотические явления в атмосфере. Кое-кто из предприимчивых людей стал под шумок приторговывать таблетками, якобы обладающими "антикометным" действием. Страхи оказались пустыми. Ни вредоносных сияний, ни бурных метеоритных потоков, ни каких-либо других необычных явлений отмечено не было. Даже в пробах воздуха, взятых из верхних слоев атмосферы, не было обнаружено ни малейших изменений.

Яркой демонстрацией реальности и грандиозности масштабов космических ударов по планетам стала серия взрывов в атмосфере Юпитера, обусловленная падением на него фрагментов кометы Шумейкер-Леви 9 в июле 1994 года. Ядро кометы в июле 1992 года в результате сближения с Юпитером разделилось на фрагменты, которые впоследствии столкнулись с планетой-гигантом. В связи с тем, что столкновения происходили на ночной стороне Юпитера, земные исследователи могли наблюдать лишь вспышки, отражённые спутниками планеты. Анализ показал, что диаметр фрагментов от одного до нескольких километров. На Юпитер упали 20 кометных осколков.

Ученые полагают, что динозавров породило и убило столкновение Земли с крупным космическим телом. Столкновение Земли с кометой или астероидом, произошедшее около 200 млн. лет назад, сопровождалось быстрым ростом популяции динозавров Юрского периода. Следствием удара небесного тела о Землю стало исчезновение многих видов, отсутствие конкуренции с которыми открыло динозаврам путь к приспособлению и преумножению численности. Таковы данные последних изысканий ученых, проведенных в 70 районах Северной Америки. Специалисты исследовали отпечатки следов динозавров и других ископаемых животных, а также анализировали следы химических элементов в скальных породах. При этом был обнаружен иридий - элемент, редко встречающийся на Земле, однако вполне обычный для астероидов и комет. Его присутствие является убедительным доказательством того, что в Землю врезалось некое небесное тело, указывают специалисты. «Обнаружение иридия дает возможность установить время удара о Землю кометы или астероида, - говорит профессор Деннис Кент. Если мы соотнесем результаты этого открытия и имеющиеся у нас данные о растительной и животной жизни того времени, мы сможем узнать, что тогда произошло. Однако тот же самый процесс ударил затем, через 135 млн. лет, и по самим ящерам. Многие ученые полагают, что мощный удар о Землю некоего космического объекта в районе полуострова Юкатан в Мексике 65 млн. лет назад привел к такой трансформации климата планеты, при которой дальнейшее существование динозавров оказалось невозможным.

Одновременно возникли благоприятные условия для развития млекопитающих. Астероиды и кометы, орбиты которых пересекают орбиту Земли и представляют для нее угрозу, получили название опасных космических объектов (ОКО). Вероятность столкновения, прежде всего, зависит от количества ОКО того или иного размера и типа. Со времени открытия первого астероида, орбита которого пересекает орбиту Земли, прошло 60 лет. В настоящее время количество открытых астероидов размером от 10 м до 20 км, которые можно отнести к ОКО, составляет около трехсот и увеличивается на несколько десятков в год. По оценкам астрономов, общее количество ОКО диаметром более 1 км, которые могут привести к глобальной катастрофе, составляет от 1200 до 2200. Количество ОКО диаметром свыше 100 м составляет 100000. Если говорить о столкновении Земли с твердым ядром кометы, то одно такое ядро, приблизившись к Солнцу на расстояние Земли от Солнца, имеет один шанс из 400 000 000 столкнуться с Землей.

Поскольку в год на этом расстоянии от Солнца проходит около пяти комет в среднем, то ядро какой-либо кометы может столкнуться с Землей в среднем один раз за 80 000 000 лет.

Из наблюдаемого количества и орбитальных параметров комет Э.Эпик вычислил вероятность столкновения с ядрами комет различного размера. В среднем 1 раз за 1,5 млрд. лет Земля имеет шанс столкнуться с ядром диаметром 17 км, а это может полностью уничтожить жизнь на территории, равной площади Северной Америки. За 4,5 млрд. лет истории Земли такое могло случаться неоднократно.

Хотя вероятность столкновения с ОКО, приводящая к глобальным последствиям, невелика, но, во-первых, такое столкновение может произойти в следующем году точно так же, как и через миллион лет, а во-вторых, последствия будут сравнимы только с глобальным ядерным конфликтом.

В частности, поэтому, несмотря на низкую вероятность столкновения, число жертв от катастрофы столь велико, что в расчете на год сравнимо с числом жертв авиакатастроф, убийств и т.п. Что же человечество может противопоставить внеземной опасности?

На ОКО можно воздействовать двумя основными способами:

-изменить его траекторию и обеспечить гарантированный пролет мимо Земли;

-разрушить (раздробить) ОКО, что обеспечит пролет части его фрагментов мимо Земли и сгорание остальных в атмосфере, без нанесения ущерба Земле. Поскольку при разрушении ОКО угроза его падения на Землю не устраняется, а уменьшается лишь уровень воздействия, более предпочтительным представляется способ изменения траектории ОКО. Для этого требуется перехватить астероид или комету на очень большом расстоянии от Земли. Чем можно воздействовать на ОКО?

Это может быть:

-кинетический удар массивного тела по поверхности ОКО, изменение отражающей световой способности (для комет), что приведет к изменению траектории под воздействием излучения Солнца;

-облучение лазерными источниками энергии;

-размещение двигателей на ОКО;

-воздействие мощными ядерными взрывами и другие способы. Немаловажным обстоятельством являются возможности ракетно-космической техники. Достигнутый уровень ракетных и ядерных технологий позволяет сформулировать облик ракетно - космического комплекса, состоящего из космического перехватчика с ядерным зарядом для доставки в заданную точку ОКО, разгонного блока космического перехватчика, обеспечивающего выведение перехватчика на заданную траекторию полета к ОКО ракеты-носителя. В настоящее время ядерные взрывные устройства обладают наибольшей концентрацией энергии по сравнению с другими источниками, что позволяет рассматривать их в качестве наиболее - перспективного средства воздействия на опасные космические объекты. К сожалению, в космических масштабах ядерное оружие является слабым даже для таких малых тел, как астероиды и кометы. Общепринятое мнение о его возможностях является сильно преувеличенным. С помощью ядерного оружия нельзя расколоть Землю, испарить океаны (энергией взрыва всего земного ядерного арсенала можно нагреть океаны на одну миллиардную долю градуса). Всем ядерным боезапасом планеты можно раздробить астероид диаметром всего девять километров при взрыве в его центре, если бы это было технически осуществимо. Тем не менее, мы все-таки не бессильны. Задача предотвращения наиболее реальной угрозы столкновения с малым небесным телом диаметром сто метров является разрешимой на современном уровне земных технологий. Постоянно совершенствуются существующие и появляются новые проекты защиты Земли от космической угрозы. Например, согласно исследованиям ученого из Соединенных Штатов, гигантская воздушная подушка может однажды спасти мир от космического столкновения с кометой: Герман Бурчард из Государственного Университета Оклахомы предлагает послать космическое судно, оборудованное массивным воздушным мешком, который может быть раздут до размеров в несколько миль шириной и использоваться в качестве мягкого сопротивления вторгающийся солнечную систему далеко от курса столкновения с Землей. «Это безопасная, простая и реально выполнимая идея», - говорит Бурчард. Однако, он признает, что остаются еще многочисленные детали, которые должны быть разработаны. Например материал для воздушной подушки, который должен быть достаточно легок для перемещения в космическом пространстве и в то же время достаточно прочным, чтобы отразить комету от ее курса на Землю.

После внимательного изучения материала о кометах я выяснил, что, несмотря на тщательное их изучение, кометы таят в себе ещё много загадок - чего стоят множество теорий об их происхождении и нескончаемая вереница новых открытий!.. Какие-то из этих красивых «хвостатых звёзд», время от времени сияющих на вечернем небе, могут представлять реальную опасность для нашей планеты. Но прогресс в этой области не стоит на месте. Постоянно совершенствуются существующие и появляются новые проекты исследования комет и защиты Земли от космической угрозы. Так что, скорее всего, в ближайшие десятилетия человечество найдет способ «постоять за себя» в космическом масштабе.

Глава 3. Астероиды

Рисунок 3. Кольцо астероидов.

Рисунок 4. Астероид Церера

3.1 Открытие астероидов

О том, что в Солнечной системе между орбитами Марса и Юпитера движутся многочисленные мелкие тела, самые крупные из которых по сравнению с планетами всего лишь каменные глыбы, узнали менее 200 лет назад. Их открытие явилось закономерным шагом на пути познания окружающего нас мира. Мы бережно храним кирпичики знания, добытого предками и позволяющего нам продвигаться вперед, но склонны забывать, каких усилий требовало приобретение того знания, которое досталось нам, и часто снисходительно смотрим на прошлое. А между тем человечеству постоянно требуется максимальное напряжение сил и способностей для разрешения клубка трудностей и противоречий. Кто в эпоху открытия первых астероидов мог предположить, что эти малые тела Солнечной системы, тела, о которых еще недавно нередко говорили с оттенком пренебрежения, станут объектом внимания специалистов самых различных областей. Это произошло в начале 70-х годов XX в., и мы стали свидетелями нового качественного скачка в познании астероидов. Скачок этот произошел не без помощи космонавтики. В поисках закономерности в распределении размеров орбит, уверенный в ее существовании, Кеплер не добился успеха. Трагическая смерть настигла его в 1630 г. в возрасте 59 лет. Но Кеплер успел прийти к выводу, что совершенству Солнечной системы мешает непомерно большой пустой промежуток между орбитами Марса и Юпитера и решил, что там должна находиться планета...

Со времен Кеплера астрономы и философы не раз возвращались к той же теме - к поискам закономерностей в размерах планетных орбит и недостающих планет. Ни у сторонников Кеплера, ни у его противников (в числе которых был Кант) не было веских аргументов. Споры затягивались. Наконец в 1766 г. профессор физики Иоганн Даниель Тициус фон Виттенберг впервые сформулировал найденный им закон планетных расстояний и привел его в переведенной им на немецкий язык книге "Созерцание природы" знаменитого в то время французского естествоиспытателя и философа Шарля Бонне. Лишь во втором немецком издании книги Бонне, спустя шесть лет, он дал свой закон как примечание переводчика, "Обратите внимание на расстояния между соседними планетами, - писал он и вы увидите, что почти все они возрастают пропорционально радиусам самих орбит. Примите расстояние от Солнца до Сатурна за 100 единиц, тогда Меркурий окажется удаленным от Солнца на 4 таких единицы; Венера - на 4+3=7 таких же единиц; Земля - на 4+6=10; Марс - на 4+12=16. Но смотрите, между Марсом и Юпитером происходит отклонение от этой, такой точной прогрессии. После Марса должно идти расстояние 4+24=28 единиц, на котором сейчас мы не видим ни планеты, ни спутника... Давайте твердо верить продолжал Тициус,- что это расстояние, без сомнения, принадлежит пока еще не открытым спутникам Марса... После этого неизвестного нам расстояния получается орбита Юпитера на расстоянии 4+48=52 единицы, а дальше расстояние самого Сатурна 4+69=73 таких единиц.!" К тому, что случилось с его законом дальше, Тициус уже не имел отношения. Долгое время за пределами Германии о законе ничего не было известно. А в самой Германии произошло следующее.

В том же 1772 г., когда вышло второе издание книги Бонне в переводе Тициуса, 25-летний немецкий астроном Иоганн Боде, ставший впоследствии широко известным ученым, прочитав "Созерцание природы", был потрясен тем, насколько точно истинные размеры планетных орбит описываются законом Тициуса. Боде сразу же поместил формулировку закона в своей книге "Руководство по изучению звездного неба". Правда, в отличие от Тициуса, Боде предсказывал на расстоянии 2,8 а .е. от Солнца существование не спутников Марса, а "большой планеты", которая должна совершать полный оборот вокруг Солнца за 4,5 года. В Палермо, на о. Сицилия итальянский астроном директор обсерватории Джузеппе Пиацци уже много лет вел наблюдения положений звезд для составления звездного каталога. В первый вечер XIX в., 1 января 1801 г., Пиацци обнаружил в созвездии Близнецов слабую звездочку, с блеском около 7m, которой почему-то не оказалось ни в его собственном каталоге, ни в каталоге Христиана Майера, имевшегося в распоряжении Пиацци. На следующий вечер оказалось, что звездочка имеет не те координаты, что накануне: она сместилась на 4' по прямому восхождению и на 3',5 по склонению. На третью ночь выяснилось, что ошибки нет, и что звездочка медленно перемещается по небу. Шесть недель следил Пиацци за странной звездой. Ни диска, которым должна была обладать планета, ни туманного вида, характерного для комет! Почти две недели движение объекта было попятным (смещался среди звезд к западу), 12 января словно застыл на месте, а затем сменил движение на прямое (к востоку). Такое поведение характерно для планет. За шесть недель объект сместился в общей сложности на 4o, но вид его остался неизменным. Объект казался Пиацци все более интересным. Но наблюдения прервала болезнь. Поправившись, Пиацци уже не смог найти его. Непрерывно перемещаясь, объект затерялся среди слабых звезд...

В это время 23-летний, еще никому не известный, Карл Фридрих Гаусс увлекся созданием методов обработки астрономических наблюдений. Он решил попытаться определить эллиптическую орбиту новой планеты по имеющимся данным. Для этого ему пришлось разработать новый метод, который прославил Гаусса и известен теперь в небесной механике как метод определения эллиптической орбиты по трем наблюдениям. Объединив результаты всех наблюдений с помощью созданного им же несколько раньше метода наименьших квадратов, Гаусс определил, что орбита объекта лежит между орбитами Марса и Юпитера и что большая полуось ее (2,8 а. е.) точно совпадает со значением, предсказанным законом Тициуса - Боде. Сомнений не осталось: это была искомая планета. Теперь по известной орбите Гаусс вычислил дальнейший путь объекта на небу. Новой планете нужно было дать название. Пиацци предложил название Церера Фердинанда, посвящая планету своему королю. Но не обошлось без споров. Наполеон считал, что планету нужно назвать Юноной. Лаланд, бывший, кстати, учителем Пиацци, предложил назвать ее именем своего достойного ученика. Сохранилось название Церера.

Новая планета заняла, как будто, равноправное положение среди остальных, к радости астрономов, заполнив брешь между Марсом и Юпитером. И все же было ясно, что Церера обманула надежды астрономов. Тех, кто надеялся найти между Юпитером и Марсом большую планету, постигло разочарование. Церера, как и остальные планеты, была холодной и светила отраженным солнечным светом. Но как же слаб был этот свет! Венера и Юпитер светили в сотни раз ярче. Она была слабее более далекого Урана, а ее диск не удавалось рассмотреть в лучшие телескопы того времени рефлекторы Вильяма Гершеля. Это означало одно: Церера очень невелика по размерам. Между Марсом и Юпитером двигалась планета-крошка. В Берлине Генрих Вильгельм Ольберс, немецкий врач и астроном, член Парижской Академии наук, член Лондонского королевского общества и руководитель Берлинской обсерваторией, внимательно следил за движением Цереры. 28 марта 1802 г. он неожиданно неподалеку от нее обнаружил еще одну, но более слабую планетку (около 9m). Ольберс дал ей название Паллада, в честь Афины Паллады. Мало того, что Паллада двигалась тоже на расстоянии 2,8 а. е. от Солнца, уже занятом Церерой, ее орбита к тому же сильно отклонялась от плоскости эклиптики (на 35o). Почему же было две планеты-крошки, вместо одной большой, на расстоянии, предсказанном законом Тициуса - Боде? Место поисков новых астероидов было локализовано. Третья планета между Марсом и Юпитером (около 8m) была открыта в созвездии Кита. Ее обнаружил К. Гардинг в Лилиентале 1 сентября 1804 г. Ее посвятили, наконец, Юноне, снова римской богине. Далее 29 марта 1807 г Ольберс открыл четвертую планету (около 6m), названную Вестой в честь римской богини домашнего очага и огня. Веста - единственный астероид, который иногда можно видеть невооруженным глазом.

Несмотря на малые размеры, Церера, Паллада, Юнона и Веста стали включаться в общий список планет, хотя потребность как-то выделить их ощущалась с самого начала. Пиацци предложил именовать новые члены Солнечной системы планетоидами (т.е. планетоподобными), а Гершель - астероидами (звездоподобными)- за отсутствие у них видимого диска. Их называли и телескопическими планетами, так как они не были видны невооруженным глазом. В настоящее время используют термин "астероид", но наряду с ним существует и другой - "малая планета". Кольца астероидов. После открытия большой четверки астероидов в течение последующих 40 лет поиски новых астероидов оставались безуспешными. В конце 1845 года Карл Людвиг Генке открыл пятый астероид (9m,5), получивший название Астрея. Еще через полтора года - 1 июня 1847 г. - Генке открывает шестой астероид, названный Гебой. В том же году американец Дж. Э. Хемд открывает Ирис и Флору, а чуть позже их же обнаруживает англичанин Д. Хтнд. Затем открытия следуют непрерывной чередой.

Четырнадцать астероидов за 9 лет (с 1852 по 1861 г.) открыл немецкий художник Герман Майер Соломон Гольдшмидт. В 1860 г. было известно уже 62 астероида, к 1870 - 109, к 1880 - 211. А затем новых астероидов стало появляться все меньше. Иссякли "запасы" крупных и довольно ярких объектов. Теперь открывали астероиды 13-14m, и лишь изредка попадался пропущенный ранее объект. Таким, к примеру, оказалась Папагена (около 8m), открытая лишь в 1901 г.

В сентябре - октябре 1960 г. на обсерватории Маунт Паломар в США было проведено систематическое фотографирование небольшой области неба, размером 8 Х 12o, расположенной вблизи точки весеннего равноденствия. За два месяца было сфотографировано около 2200 астероидов вплоть до 20m, причем для 1811 из них удалось определить орбиты, хотя и не очень точные. Полагают, что общее число астероидов, движущихся в кольце, от крупнейших (1 Церера, диаметром около 1000 км) вплоть до тел поперечником 1 км достигает 1 млн. Число астероидов быстро растет по мере уменьшения их размеров. В интервале от 1 до 100 км суммарное число тел, диаметр которых превышает D, оказывается обратно пропорционально квадрату диаметра: N~D-2.

Именно такое распределения по размерам ожидается у осколков раздробленных тел, и, по-видимому, дробление астероидов во взаимных столкновениях уже давно и полностью завуалировало то распределение, которое было у молодых, едва успевших сформироваться в протопланетном облаке первичных, небольших по размерам тел, называемых планетезималями.

3.2 Семейства астероидов

В 1876 г., когда было известно всего около 150 астероидов, Д. Кирквуд пытался разобраться в "хаосе" астероидных орбит и нашел около 10 групп астероидов, каждая из которых состояла всего из 2-3 членов, двигавшихся по сходным орбитам. Среди них оказались, например, 3 Юнона и 97 Клота. Казалось, что такие группы можно рассматривать, как связанные общностью происхождения и что члены групп - обломки более крупных тел. Попытки Кирквуда продолжил Ф. Тиссеран, составивший в 1891 г. свой список из 417 астероидов. Число групп росло по мере роста числа открытых астероидов. По существу, это был вариант гипотезы Ольберса, только родство распространялось не на все астероиды, а на некоторые группы. Но дело оказалось совсем не таким простым, а родство в группах сомнительным. Это стало ясно, когда японский астроном К. Хираяма в 1918-1919 гг. обратил внимание на то, что сходство орбит астероидов вовсе не означает, что эти астероиды в прошлом были частями одного, более крупного тела. При большом числе астероидов не исключено объединение астероидов в группы из-за случайного сходства их орбит. Но главная ошибка заключалась в том, что в поисках "родственников" сравнивались современные орбиты астероидов. Между тем возмущения со стороны планет, накапливаясь с течением времени, могли постепенно до неузнаваемости и по-разному изменить орбиты тех астероидов, которые действительно являлись обломками одного и того же тела и действительно двигались в прошлом по сходным орбитам. С другой стороны, сходство современных орбит еще не означает, что и в далеком прошлом астероиды двигались по сходным орбитам. Поэтому, используя методику Кирквуда, если и можно обнаружить реальные группы "родственников", то лишь образовавшиеся совсем недавно, скажем, 1000 лет назад.

Теория движения спутников планет с учетом возмущений, разработанная еще раньше Лагранжем, указывала, что эксцентриситеты и наклоны орбит спутников остаются почти неизменными на больших промежутках времени, в то время как долготы перицентра и узла орбиты непрерывно меняются. Это привело Хираяму к идее "инвариантных" неизменных элементов астероидных орбит, которые тоже не менялись бы под действием планетных возмущений. Такие элементы можно было использовать для поисков семейства астероидов. Хираяма нашел такие инвариантные элементы и назвал их собственными элементами орбиты, т. е. унаследованными астероидами от их "родителей". Конечно, при дроблении астероидов их обломки, получив разные, о малые добавки к орбитальной скорости, движутся по разным орбитам со слегка различными собственными элементами. Однако эти различия не настолько велики, чтобы помешать узнать члены семейства.

Вообще говоря, собственные элементы представляют собой кеплеровы элементы орбит астероидов, исправленные за вековые возмущения. У типичных орбит собственные наклоны и эксцентриситеты почти не подвержены вековым изменениям, и можно считать, что они оставались неизменными на протяжении миллиарда лет. Что касается долготы перигелия и долготы узла, то они меняются значительно быстрее. Собственная долгота перигелия очень медленно, но непрерывно растет, а собственная долгота узла убывает с той же скоростью. Для тел в кольце астероидов периоды обращения перигелия и восходящего узла орбит вокруг Солнца порядка нескольких тысяч лет. Они возрастают с уменьшением размеров орбит. Таким образом, астероиды долго "помнят" лишь наклон орбиты и ее эксцентриситет, но быстро "забывают" свой узел и перигелий.

Хираяма решил воспользоваться собственным наклоном и эксцентриситетом орбит для поисков семейств. Сначала, чтобы упростить расчеты, он учитывал только возмущения от Юпитера, пренебрегая более слабым влиянием Сатурна и остальных планет. Ему удалось выявить три семейства (семейства Фемиды, Эос и Корониды, названные по одному из членов семейств), а затем еще четыре и, менее уверенно, еще шесть. Но скоро Хираяме стало ясно, что учитывать воздействие Сатурна и других планет все же необходимо. Сатурн, например, оказывал заметное воздействие на астероиды с малым средним суточным движением. Сделав это, Хираяма пришел к выводу о существовании пяти семейств - Фемиды, Эос, Корониды, Марии и Флоры. К этим семействам он в 1923 г. отнес десятки известных астероидов. В дальнейшем они были пополнены астероидами, открытыми позднее. Самым многочисленным оказалось семейство Флоры. Д. Бауэр, на основании уточненной им теории возмущений, разделил его на четыре отдельных семейства - I, II, III и IV. К 70-м годам стало ясно, что "семейственность" широко распространена среди астероидов: из 1697 нумерованных к этому времени астероидов 712 (или 42 %) были отнесены к 37 семействам. Они еще "помнят" орбиту родительского тела. Аналогичной оказалась ситуация у более мелких астероидов Паломар - Лейденского обозрения: из 980 новых астероидов 389 (40 %) вошли в то или иное семейство, уже известное или новое. Семейство обнаруживает себя как область повышенной концентрации точек на распределениях собственных элементов орбит. Границы семейств проводятся не всегда уверенно, и отнесение астероида к тому или иному семейству иногда остается сомнительным Однако эти различия не принципиальны и не позволяют сомневаться в самом существовании семейственности у астероидов. Японский исследователь И. Козаи к концу 70-х годов среди 2125 нумерованных астероидов около 3/4 отнес к 72 семействам.

Американские исследователи Дж. Градье, К. Чепмен и Дж. Вильямс полагают, что число семейств превышает 100. Однако приходится быть внимательным, чтобы не принять за семейство случайную группу точек. Долгое время считали, что существует семейство Венгрии (a = 1,8 a. e.) и Фокен (a = 2,4 a. e.) на орбитах большого наклона (собственное наклонение 20-25O). Однако в действительности это лишь группы случайных астероидов, изолированные от остальной части кольца пустыми зонами вековых резонансов. Астероиды в них не связаны общностью происхождения точно так же, как члены групп Гильды, Аполлона, Амура или Атона. Они имеют лишь сходную динамическую эволюцию орбит. Пока не ясно, существует ли семейство Паллады, или мы снова, как в случае с Венгрией и Фокеей, имеем дело с группой астероидов, изолированной вековыми резонансами. Однако с образованием семейств при дроблении астероидов дело обстоит совсем не так просто, как может показаться. Когда в 1982 году сотрудники Технологического института в Пасадене (США) Д.Дэвис, К.Чепмен, Р.Гринберг и С.Вайденшиллинг специально исследовали вопрос об образовании семейства Эос, то оказалось, что родительский астероид, размеры которого превышали, по-видимому, 180 км, прежде чем испытать катастрофическое столкновение с достаточно крупным объектом (в результате чего и должно было бы образоваться семейство), должен был столкнуться по крайней мере с десятком более мелких тел. Под действием их ударов родительский астероид должен был "развалиться" на блоки с характерными размерами порядка 10 км, которые удерживались друг около друга только силами тяготения. Между тем, сохранился объект поперечником в 98 км (это сам Эос). Можно предположить, что это сохранившийся 20-процентный остаток массы, состоящий из неразлетевшихся осколков. Но тогда, как полагают исследователи, следующее по величине тело должно было бы иметь поперечник всего 5 км. Между тем второй по величине член семейства имеет поперечник 80 км. Лишь с помощью серии весьма искусственных предположений удается обойти эти трудности.

3.3 Астероиды вблизи Земли и планет солнечной системы

Почти 3/4 века не подозревали, что не все астероиды движутся между орбитами Марса и Юпитера. Но вот ранним утром 14 июня 1873 г. Джеймс Уотсон на обсерватории Энн Арбор (США) открыл астероид 132 Аэрту. За этим объектом удалось следить всего три недели, а потом его потеряли. Однако результаты определения орбиты, хотя и неточной, убедительно свидетельствовали, что перигелий Аэрты находится внутри орбиты Марса.

На астероиды, которые бы приближались к орбите Земли, оставались неизвестны до конца XIX в. Теперь их число превышает 80. Первый астероид вблизи Земли был открыт только 13 августа 1898 г. в этот день Густав Витт на обсерватории Урания в Берлине обнаружил слабый объект, быстро перемещающийся среди звезд. Большая скорость свидетельствовала о его необычайной близости к Земле, а слабый блеск близкого предмета - об исключительно малых размерах. Это был 433 Эрос, первый астероид-малютка поперечником менее 25 км. В год его открытия он прошел на расстоянии 22 млн. км от Земли. Его орбита оказалась не похожа ни на одну до сих пор известную. Перигелием она почти касалась орбиты Земли (q =1,46 a. e.) и была так мала по размерам (a=1,46 a.e.), что афелий не достигал кольца астероидов (q=1,78 a. e.) Через 13 лет, 3 октября 1911 г., Иоганн Пализа в Вене открыл 719 Альберт, который мог подходить к Земле почти так же близко, как Эрос (q=1,19 a. e.). Почти на такой же орбите Макс Вольф в Гейдельберге в 1918 г. открыл 887 Алинду, а Вальтер Бааде в Бергедорфе, в 1924г., на орбите чуть больших размеров - 1036 Ганнимед. В 1929 г. к этим астероидам добавился 1627 Ивар, и перигелием более близким к Земле, чем у Эроса (q=1,12 a. e.), афелием, расположенным в середине кольца астероидов (q'=2,60 a. e.). 12 марта 1932 г. Эжен Дельпорт на обсерватории в Уккле (Бельгия) открыл уж совсем крошечный астероид на орбите с перигелийным расстоянием q=1,08 a. e. Это был 1221 Амур поперечником менее 1 км, прошедшем в год открытия на расстоянии 16,5 млн. км от Земли.

Астероиды за пределами кольца. Через несколько лет после Эроса, в 1904 г., был открыт астероид 588 Ахилл, движущийся по орбите больших размеров, далеко за пределами кольца астероидов, почти точно по орбите Юпитера. Затем было открыто еще около 20 астероидов до 14m, движущихся примерно по орбите Юпитера. Все они получили общее название троянцы, так как названы в честь героев Троянской войны - греков и троянцев. Астероиды-греки опережают Юпитер примерно на 60o, а астероиды - троянцы следуют на таком же угловом расстоянии позади него. Только Гектор и Патрокл находятся не в своих группах. Все они довольно крупные объекты - диаметром порядка 150 км - так долго оставались неоткрытыми из-за большой удаленности. Немногочисленные объекты были открыты и между кольцом астероидов и орбитой Юпитера. Некоторые из них могут близко подходить к орбите Юпитера и даже выходить за ее пределы. Однако астероиды, орбиты которых целиком лежали бы за пределами орбиты Юпитера, не были известны до 1977 г., хотя на основании общих космогонических соображений неоднократно высказывались идеи о возможности существования крупных тел между орбитами Юпитера и Сатурна, являющихся, как и астероиды, сохранившимися остатками протопланетных тел. В октябре 1977 г. Чарльз Ковал в США открыл небывало далекий объект: он двигался на расстоянии 16,7 а. е. от Солнца и получил предварительное обозначение 1977 UB. Из-за большого расстояния объект очень медленно перемещался на фоне звезд, и потребовалось бы очень долго следить за ним, чтобы определить его орбиту с большой точностью. В настоящее время Хирон движется по орбите с большой полуосью a=13,70 a. e., затрачивая на одно обращение вокруг Солнца 50,7 года.

Его орбита довольно эксцентрична (e=0,379), так что перигелий находится слегка внутри орбиты Сатурна (q=8,51 a. e.), а афелий почти у самой орбиты Урана (q'=18,90 a. e.). Орбита Хирона наклонена к плоскости эклиптики всего на 6o,9. Размеры самого тела составляют 160-640 км. Движение астероидов. Все открытые до сих пор астероиды обладают прямым движением: они движутся вокруг Солнца в ту же сторону, что и большие планеты (i<90o). У подавляющего большинства астероидов орбиты не сильно отличаются друг от друга: они слабо эксцентричны и имеют малый или умеренный наклон. Поэтому-то почти все астероиды движутся, оставаясь в пределах тороидального кольца. Сечение этого кольца плоскостью zr, перпендикулярной плоскости эклиптики и проходящей через Солнце. Границы кольца несколько условны: пространственная плотность астероидов (число астероидов в единице объема) падает по мере удаления от центральной части, что на рисунке отражено менее густой штриховкой периферических областей сечения. Если по мере движения астероида по орбите упомянутую плоскость zr вращать (вокруг оси, перпендикулярной плоскости эклиптики и проходящей через Солнце) вслед за астероидом (так, чтобы он все время оставался в этой плоскости), то астероид за один оборот опишет в этой плоскости некоторую петлю. Большая часть подобных петель лежит в пределах заштрихованной области, как у Цереры и Весты, движущихся по малоэксцентричным и мало наклоненным орбитам. У немногих астероидов из-за значительного эксцентриситета и наклона орбиты петля, как у Паллады (i=35o), выходит за пределы этой области или даже целиком лежит вне ее, как у атонцев. Поэтому астероиды встречаются и вдали за пределами кольца. Объем пространства, занятого кольцом - тором, где движется 98% всех астероидов, огромен - около 1,6*1026 . Для сравнения укажем, что объем Земли составляет всего 1012. Большие полуоси орбит астероидов, принадлежащих кольцу, заключены в интервале от 2,2 до 3,2 а. е. Астероиды движутся по орбитам с линейной (гелиоцентрической) скоростью около 20 км/с, затрачивая на один оборот вокруг Солнца от 3 до 9 лет. Их среднесуточное движение заключено в пределах 400-1200''.

Эксцентричность этих орбит невелики - от 0 до 0.2 и редко превышает 0.4. Но даже при очень малом эксцентриситете, всего в 0.1, гелиоцентрическое расстояние астероида во время движения по орбите меняется на несколько десятых долей астрономической единицы, а при e=0,4 -- на 1.5 - 3 а.е., в зависимости от размеров орбиты.

Наклон орбит к плоскости эклиптики составляют обычно от 5 до 10o. Но при наклоне в 10o астероид может отклониться от плоскости эклиптики примерно на 0,5 а.е., при наклоне 30o уходить от нее на 1,5 а.е. Многочисленные по составу группы I, II и III включают астероиды, движущиеся, соответственно, во внешней (, центральной и внутренней зонах кольца. В центральной зоне преобладают астероиды сферической подсистемы, тогда как во внутренней зоне 3/4 астероидов являются членами плоской системы. По мере перехода от внутренней зоны к внешней становиться все больше круговых орбит: в группе III эксцентриситет e<0,14 имеют всего 36% астероидов, в группе II таких 44%, а в группе III -60%. Вероятно, это объясняется тем, что Юпитер, движущийся за внешней окраиной кольца, "вычистил" свои окрестности : тела на больших эксцентричных орбитах могли, приближаясь к Юпитеру, испытывать сильные возмущения с его стороны и в результате выметались из кольца и даже из планетной системы. Сохранились лишь тела на менее эксцентричных орбитах, недостижимые для этого гиганта Солнечной системы. Все астероиды кольца находятся, если так можно выразиться, в безопасной зоне. Но и они все время испытывают возмущения со стороны планет. Самое сильное воздействие на них оказывает, конечно, Юпитер. Поэтому их орбиты непрерывно меняются. Если быть совсем строгими, то нужно сказать, что путь астероида в пространстве представляет собой не эллипсы, а незамкнутые квазиэллиптические витки, укладывающиеся рядом друг с другом. Лишь изредка - при сближении с планетой - витки заметно отклоняются один от другого. Планеты возмущают, конечно, движение не только астероидов, но и друг друга. Однако возмущения, испытываемые самими планетами, малы и не меняют структуры Солнечной системы. Они не могут привести к столкновению планет друг с другом. С астероидами дело обстоит иначе. Из-за больших эксцентриситетов и наклонов орбит астероидов под действием планетных возмущений меняются довольно сильно даже в том случае, если не происходит сближений с планетами. Астероиды отклоняются со своего пути то в одну, то в другую сторону. Чем дальше, тем больше становятся эти отклонения: ведь планеты непрерывно "тянут" астероид, каждая к себе, но сильнее всех Юпитер. Наблюдения астероидов охватывают еще слишком малые промежутки времени, чтобы можно было выявить существенные изменения орбит большинства астероидов, за исключением отдельных редких случаев. Поэтому наши представления об эволюции их орбит основаны на теоретических соображениях. Коротко они сводятся к следующему.

Орбита каждого астероида колеблется около своего среднего положения, затрачивая на каждое колебание несколько десятков или сотен лет. Синхронно меняются с небольшой амплитудой ее полуось, эксцентриситет и наклон. Перигелий и афелий то приближаются к Солнцу, то удаляются от него. Эти колебания включаются как составная часть в колебания большего периода - тысячи или десятки тысяч лет. Они имеют несколько другой характер. Большая полуось не испытывает дополнительных изменений. Зато амплитуды колебаний эксцентриситета и наклона могут быть намного больше. При таких масштабах времени можно уже не рассматривать мгновенных положений планет на орбитах: как в ускоренном фильме астероид и планета оказываются как бы размазанными по своим орбитам. Становится целесообразным рассматривать их как гравитирующие кольца. Наклон астероидного кольца к плоскости эклиптики, где находятся планетные кольца - источник возмущающих сил, - приводит к тому, что астероидное кольцо ведет себя подобно волчку или гироскопу. Только картина оказывается более сложной, потому что орбита астероида не является жесткой и ее форма меняется с течением времени.