CC BY
117
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН
2006, том 49, №1
АСТРОФИЗИКА
УДК 523.68.
Академик АН Республики Таджикистан П.Б. Бабаджанов, Н.А. Коновалова ОБ ОСОБЕННОСТЯХ СВЕЧЕНИЯ И АБЛЯЦИИ МЕТЕОРОИДОВ ГЕМИНИД В ЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЕ
Метеорный поток Геминид, достигающий своего максимума активности 13-14 декабря, является одним из обильных ежегодных метеорных потоков, орбита которого имеет весьма короткий период (1.6 года) и наименьшее перигелийное расстояние (0.14
а.е.). В течение прошедших десятилетий астрономы, исследующие Геминиды, обычно приходили к заключению, что метеороиды роя Геминид являются более плотными, чем метеороиды других роев, что, видимо, обусловлено многократным прохождением метеороидов Геминид очень близко от Солнца из-за малого перигелийного расстояния их орбиты. Кроме большой плотности, другой отличительной чертой Геминид являются высокочастотные (до нескольких сот №) пульсации блеска, которые регистрировались еще в тридцатых годах прошлого столетия, с первых лет систематических фотографических наблюдений метеоров. Холлидей [1] привел данные о ярком -8 зв.вел. мерцающем Геминиде, сфотографированном 13 декабря 1960 г. в Канаде. Пульсации блеска наблюдались также у половины из 12 болидов Геминид, сфотографированных болидной сетью (МОРП) Канады. В литературе описаны примеры пульсирующих метеоров, частота пульсаций блеска которых варьирует от нескольких № до нескольких десятков № (низкочастотные пульсации) [2-4], но в отличие от них, частота пульсаций блеска Геминид почти на порядок больше, пульсации возникают внезапно, приблизительно с середины траектории метеора, и продолжаются вплоть до ее конца. При этом частота пульсаций возрастает по мере проникновения метеороида вглубь атмосферы, а амплитуда яркости в пульсациях остается практически постоянной на всем участке видимой траектории болида.
Возникновение высокочастотных пульсаций блеска у Геминид и низкочастотных у некоторых поточных и спорадических метеоров, по-видимому, связано с различиями в механизмах абляции метеороидов этих потоков, которые в свою очередь напрямую зависят от физических свойств самих метеороидов, главным образом от их структуры, состава и прочности.
В работе Олеака [5] перечислены следующие возможные механизмы пульсаций блеска метеоров:
1) вращение метеороида;
2) вибрация метеороида;
3) последовательное отделение обломков;
4) автоколебательный характер процесса испарения.
Что касается первого и второго механизмов, то следовало бы ожидать пульсации блеска наравне как у ярких, так и у слабых и средних по яркости метеоров. На самом деле это не наблюдается, хотя далеко не исключены изменения блеска, связанные с вра-
щением или вибрацией метеороида [3,6]. Последовательное отделение обломков, т.е. "грубое" дробление метеороида, может обуславливать низкочастотные пульсации блеска метеора [4,7]. В работе [8] были даны предварительные результаты анализа пульсаций блеска трех ярких Геминид. Данные о радиантах, скоростях, высотах, массах и зенитных углах радианта изучаемых в данной статье трех Геминид приведены в таблице. На рис. 1 представлены наблюдаемые кривые блеска этих Геминид, где по оси абцисс отложена высота h в км, а по оси ординат - яркость метеоров М, выраженная в абс. зв. вел. Как видно из кривых блеска 3-х Геминид, высокочастотное мерцание возникает внезапно, приблизительно с середины метеорной траектории, амплитуда блеска в пульсациях варьирует от 0.25 до 1.0 зв.вел., не показывая при этом какой-либо зависимости от высоты. В первой половине метеорной траектории мерцание блеска у всех трех Ге-минид не наблюдается, хотя яркость метеоров вполне достаточна.
Таблица
Наблюдаемые и вычисленные данные метеоров Геминид
№ Год месяц День, ИТ ая, град ёя, град соб Ут, км/с Ґ, с
643881 64 Дек 14.022 113.1 32.4 0.80 34.5 1.55
761683 76 Дек 15.699 113.3 32.1 0.58 34.4 1.38
821691 82 Дек 13.992 119.1 33.7 0.93 39.9 1.19
№ Ъъ, км ктах-, км ке, км к0, км М тах? зв.в. , г гх, см
643881 94.2 60.8 53.0 90.1 -3.5 11.62 0.98
761683 87.2 61.4 59.8 90.9 -5.7 19.50 1.20
821691 92.7 64.8 51.3 91.2 -4.6 10.04 0.94
Частота пульсаций у0ья, измеренная по обтюраторным снимкам, монотонно растет с проникновением метеороидов вглубь атмосферы у всех трех Геминид приблизительно от сотни Иг до нескольких сотен № к концу метеорной траектории. Графики изменения наблюдаемой частоты пульсаций у0ья в Н (ось у) с высотой h в км (ось х) нанесены на рис. 2а,б,с., где символом о отмечены значения у0ья, полученные в результате
Рис.1. Наблюдаемые кривые блеска Геминид: а - 643881, Ь - 761683, с - 821691.
измерения расстояния между двумя соседними пульсациями как функции времени, которое с большой точностью известно для каждого конца метеорного перерыва, образованного вращающимся обтюратором.
В результате проведенного нами анализа фотографий около 200 ярких метеоров (ярче -2.5 зв. вел.) из Душанбинского метеорного архива, обнаружено только три метеора с высокочастотными, более 100 № пульсациями блеска (мерцание), и все они принадлежат к метеорному потоку Геминид. Мерцание блеска Геминид является отличительной особенностью их свечения и, вероятнее всего, связано с механизмом абляции метеороидов в атмосфере Земли. В пользу сказанного свидетельствуют также фотографии болидов Геминид, полученные по методу мгновенных экспозиций (Техр=5.6х10-4 сек) на длиннофокусных метеорных камерах МК-75. На этих фотографиях мгновенные изображения Геминид имеют каплевидную форму с хорошо выраженным хвостом, достигающим в длину от 90 до 385 м, которые образуются в результате отделения с поверхно-
сти родительского метеороида множества чайшие частицы с массами 10"5^10"6 г.
70 65 60
Ие1дШ, И (кт)
Рис.2. Наблюдаемая (кружки) и теоретическая (сплошная линия) частота пульсаций Геминид: а - 643881, Ь - 761683, с -821691.
фрагментов, представляющих собой мель-
О механизмах вращения метеороидов и его последствиях
А. Анализ механизмов, вызывающих вращение метеороидов как в космическом пространстве, так и в земной атмосфере проведен многими исследователями. В работах [7,9] принимается, что из-за взаимных столкновений в межпланетном пространстве или под действием эффекта "солнечной мельницы" большинство метеороидов, порождающих метеоры оптического и радиолокационного диапазонов, еще до входа в земную атмосферу обладают быстрым вращением. Бич и Браун [3] и Бич [6] наблюдаемые высокочастотные пульсации блеска Ге-минид объясняют также вращением метеороидов, но приобретенном в космическом пространстве из-за столкновитель-ной фрагментации, так как эффект "солнечной ветряной мельницы" [10] может привести к весьма незначительной скорости вращения тел сантиметровых размеров.
Если допустить, что в атмосферу Земли попадает вращающийся метеороид, то это должно существенным образом влиять на высоты появления метеоров. В работе [11] показано, что различие высот появления метеоров, порождаемых невращающимся и быстровращающимся телом составляет порядка ~10 км, т.е. метеоры, порождаемые вращающимся метеороидом, появляются на 10 км ниже. Чтобы сделать заключение о вращении трех исследуемых в данной статье Геминид, вычислим теоретические высоты их появления, воспользовавшись уравнением, описывающим плотность атмосферы р(Иь) на высоте начала интенсивного испарения поверхности невращающегося метеороида, определяемой из рещения задачи о нагревании метеороида в верхних слоях атмосферы в доабляционный период [11]:
р(ю=2М^~У, (о
Ах0У
где х - глубина прогрева, на которой температура в е раз меньше поверхностной температуры, определяется по формуле
(2)
V V eos z ртс
В расчетах по уравнениям (1) и (2) принимались значения входящих в них величин для случая каменного метеороида [11]: с = 107эрг/г гр - теплоемкость; Л=3-105 эрг/см сек гр - коэффициент теплопроводности; Л = 0.15 - коэффициент теплопередачи на высоте начала интенсивного испарения метеороидов сантиметровых размеров; Ta = 2000 K - температура поверхности метеороида, при которой начинается его интенсивное испарение; То = 280 K - начальная температура метеороида, с которой он влетает в земную атмосферу, соответствующая равновесной температуре тела на расстоянии 1 а.е. от Солнца; значение плотности рт для метеороидов Геминид принималось равным 2.9 г/см3 [12].
Вычисленные по формулам (1) и (2) значения плотности p(h0) и соответствующие им теоретические высоты h0 появления метеоров Геминид представлены в таблице, из которой видно, что среднее значение теоретических высот появления исследуемых Ге-минид, равное 90.7 км очень близко к среднему значению их наблюдаемых высот появления hb = 91.4 км. Полученный результат позволяет заключить, что исследуемые в данной статье метеороиды Геминид при вторжении в земную атмосферу не вращались.
Б. Возможность вращения метеороидов Г еминид в земной атмосфере можно рассматривать и по следующей схеме: в атмосферу Земли попадает невращающийся метеороид, который под действием набегающего на него потока молекул воздуха из-за неравномерности числа падающих молекул по разные стороны от центра его массы, приобретает угловую скорость вращения [9]:
-|]/2
2AV со -----
COSZR
23
где тх - масса метеороида, тт = 4.8 х 10' г - масса молекулы воздуха, zr - зенитное расстояние радианта, H* = 7*105 - высота однородной атмосферы, V - скорость метеороида.
Метеороид считается вращающимся, если период его вращения P = 2ж/т значительно меньше характерного времени метеорного процесса Т0:
Н*
P « То «--------- (4)
V coszR
Из (3) и (4) получим следующее неравенство:
0.33
ш
\ "*00 J
Н
* Л
V C0S ZR J
3/2
p(h)mm V2 »1 (5)
Для высот исследуемых нами Геминид, на которых явственно наблюдаются пульсации блеска (И ~ 75 км и р(а) = 4.34*Ш"8 г/см3), условие вращения (5) выполняется для частиц, у которых тт <§;6х10 7г. Это означает, что только очень мелкие метеороиды с массами т.г «; 6 х10~7 г могут приобрести вращение в атмосфере Земли под действием
"флуктуационного" эффекта. Такие частицы порождают метеоры, регистрируемые только радиолокационными методами. Что касается метеороидов сантиметровых размеров с массами в несколько граммов, какими порождены исследуемые нами метеоры Геминид, то приобрести вращение в атмосфере Земли за счет неравномерности попадания молекул воздуха по разные стороны от центра массы они не могут. Таким образом, наблюдаемые пульсации блеска Геминид не могут быть объяснены вращением метеороидов, приобретенным в земной атмосфере.
Об автоколебательном механизме абляции метеороидов
Геминид в атмосфере Земли
Рассмотрим автоколебательный механизм процесса испарения метеороида, который устанавливается в случае, когда давление насыщенных паров метеорного вещества и внешнее давление автоматически регулируют друг друга [5]. Для этого необходимо решить уравнение теплопроводности
(6)
д/ дх 8с при граничных условиях на поверхности метеорного тела
Т(х = 0,1 = 0) = Тт, Т(х = 0,1 = Ы) = Ть (7)
где Ъ2 = - коэффициент температуропроводности, характеризующий теплофизиче-
РпгС
ские свойства вещества метеороида; q - количество тепла, поступающее за единицу времени на единицу объема (т.е. мощность тепла, подводимого к метеороиду); Тт и Ть -соответственно температура плавления и температура кипения.
Метеороид при пролете через атмосферу за единицу времени на единицу поверх-
1
ности получает теплоту W = —ApV , где Л - коэффициент теплопередачи, р - плотность
атмосферы, V - скорость метеороида. Считая плотность атмосферы равной р - р{]ек',
, Feos z„ * „
где к =-----—, zR - зенитное расстояние радианта метеора, Н - высота однородной ат-
Н
мосферы, имеем:
q = ^Ap0ektV3S(x), (8)
где ó(x) - обычная дельта-функция Дирака.
Учитывая (8), можно получить следующее решение уравнения (6) при граничных условиях (7) [11]:
\ _ тгЗ к A t ___
т‘ —гф('/й')+г" (9>
4Ppmc s¡k
где Ф(у) - интеграл вероятности Гаусса, At - период пульсаций.
Так как для исследуемых нами Геминид величина kAt достаточно мала
__ ^ _________
(0.006<Mí<0.01), то можно положить еш «1 и Ф(yfkAt) « —=^JkAt. Тогда из уравнения
у/я
(9) можно получить следующее выражение для периода пульсаций At:
= <10> Ару
где Тъ =--------А и В - некоторые постоянные, характеризующие химический состав
B-\gpV
метеорного вещества.
По уравнению (10) в нескольких точках метеорной траектории, с известными р и
V, была рассчитана теоретическая частота пульсаций блеска для Геминид. При расчетах использовались следующие значения величин, входящих в уравнение (10) для каменного вещества [11]: A=21000°, B=12.5; Tm=1700°; Х=3*105 эрг/см сек град; c=107 эрг/г град; плотность метеороидов Геминид 5=2.9 г/см3 [12]. Вычисленная частота пульсаций блеска достаточно хорошо согласуется с наблюдаемой в начале пульсирования блеска при следующих значениях коэффициента теплопередачи: Л=0.04 для метеора 643881, Л=0.02 для метеора 761683 и Л=0.035 для метеора 821691. Однако при этих значениях коэффициента теплопередачи Л близкое совпадение вычисленной и наблюдаемой частоты пульсаций блеска вдоль всего пульсирующего участка наблюдается только у метеора 643881 (рис. 2а, сплошная линия), что, вероятно, связано с не столь значительным увеличением частоты пульсаций (приблизительно от 120 Hz до 320 Hz), как в случае остальных двух Геминид. Для метеоров 761683 и 821691 расхождение между вычисленными и наблюдаемыми значениями частоты пульсаций становятся все более существенными по мере проникновения метеороидов вглубь атмосферы. Можно предположить, что это расхождение связано с изменением коэфициента теплопередачи Л вдоль траектории
метеоров 761683 и 821691. Об изменении Л вдоль пути ярких болидов говорилось Бронштэном [7]. На приведенном им рисунке 16 [7] видно, что коэффициент теплопередачи быстро растет к концу пути метеора. Бронштэн считает, что ответственным за данный эффект является заметное торможение метеороида на конечном участке метеорной траектории, что и увеличивает коэффициент теплопередачи Л, поскольку загораживание парами метеорного тела при падении скорости уменьшается.
Представляя изменение коэфициента теплопередачи Л с высотой h метеора экспоненциальной зависимостью в виде
Л = aeßh,
при а=19.8 и ß=-0.1 для метеора 761683 и а=0.82 и ß=-0.05 для метеора 821691 нами по уравнению (10), была вычислена теоретическая зависимость периода At пульсаций блеска от высоты h. Полученные теоретические зависимости v=1/At от h представлены на рис 2b и 2с сплошной линией, из которых видно, что они удовлетворительно согласуются с наблюдаемыми значениями vobs.
Полученное соответствие вычисленных и наблюдаемых частот пульсаций блеска и их рост по мере проникновения метеороидов Геминид вглубь атмосферы позволяет заключить, что высокочастотные пульсации блеска (vf > 100 Hz), т.е. наблюдаемый эффект мерцания у ярких Геминид можно объяснить автоколебательным механизмом абляции метеороидов в земной атмосфере.
Институт астрофизики Поступило 15.11.2004 г.
АН Республики Таджикистан
ЛИТЕРАТУРА
1. Halliday I. - Smithson. Contrib. Astrophys., 1963, V.7, p. 161.
2. Крамер Е.Н. Проблемы космической физики. I. Метеоры. - 1966, с. 75.
3. Beech M. and Brown P. - Planet. Space Sci., 2000, 48, p. 925.
4. Konovalova N.A. - Astron. and Astroph., 2003, V. 404, p. 1145.
5. Oleak N. - Astron. Nachr., 1964, V. 228, 1, p. 7.
6. Beech M. - MNRAS., 2002, V. 336, p. 559.
7. Бронштэн В.А. Физика метеорных явлений. - М.: Наука, 1981, 416 с.
8. Babadzhanov P.B. and Konovalova N.A. - Publ. Astron. Inst. Czechosl. Acad. Sci., 1987, No 67, p. 189.
9. Долгинов А.З. - ДАН СССР, 1968, т.179, с. 1070.
10. Радзиевский В.В. - ДАН СССР, 1954, т. 97, с. 49.
11. Левин В.Ю. Физическая теория метеоров и метеорное вещество в Солнечной системе. - М.: Изд--во АН СССР, 1956, 296 с.
12. Babadzhanov P.B. - Astron. and Astroph., 2002, V. 384, p. 317.
П.Б.Бобочонов, Н.А.Коновалова РОЧЕЪ БА ХУСУСИЯТ^ОИ ПАРТАВАФШОНЙ ВА АБЛЯТСИЯИ МЕТЕОРОИД^ОИ СЕЛИ ГЕМИНИД ДАР АТМОСФЕРАИ ЗАМИН
Дар байни 11 метеорхои сели Геминид, ки дар Институти астрофизикаи Акаде-мияи илмхои Точикистон фотографиронида шудаанд, дурахшонии сетояшон пульсат-сияи (яъне милтоси) баланд-басомад (зиеда аз 100 Hz) мекард. Дар натичаи мухокимаи ниходхои гуногуни аблятсияи метеороидхо хулоса бароварда шудааст, ки сабабгори милтоси баланд-басомади Геминидхои дурахшон ин ниходи автолаппиши аблятсияи метеороидхо дар атмосфераи Замин мебошад.
P.B.Babadzhanov, N.A.Konovalova ON THE FEATURES OF GEMINID METEOROIDS LUMINOSITY AND ABLATION IN THE EARTH'S ATMOSPHERE
Among 11 bright Geminid meteors photographed at the Institute of Astrophysics, Tajik Academy of Sciences, 3 displayed distinct high-frequency (more than 100 Hz) pulsations of brightness, or flickering. Different possible meteoroid ablation mechanisms causing the flickering of the bright Geminids are discussed. The obtained results allow us to conclude that the observed high-frequency flickering of Geminid fireballs may be explained by an autofluctuat-ing mechanism of the meteoroid ablation.
