Астероиды, кометы, метеоры, метеориты

Малые планеты – астероиды (греч. asteroedeis – звездоподобные) со звездами не имеют ничего общего, а названы так только потому, что в телескоп видны как точечные объекты. Интересна история открытия малых планет. К концу XVIII в. был известен эмпирический закон планетных расстояний (так называемое правило Тициуса – Боде), согласно которому между Марсом и Юпитером должна была находиться еще одна неизвестная планета. Поиски ее привели астронома Пиацци к открытию в 1801 г. планеты Церера диаметром 1003 км. Открытие еще трех планет: Паллады – 608 км, Юноны – 180 км и Весты – 538 км – было неожиданным. В последние годы обнаруживают астероиды до 1 км в диаметре, а их общее количество достигает нескольких тысяч. Поскольку астероиды движутся, то при длительных фотографических экспозициях они получаются в виде ярких белых черточек на черном фоне звездного неба.

Наблюдения показали, что астероиды имеют неправильную многогранную форму и движутся по орбитам различной формы – от окружностей до сильно вытянутых эллипсов; подавляющее большинство их (98%) заключено между орбитами Марса и Юпитера («главный пояс астероидов»), но астероид Икар подходит к Солнцу ближе Меркурия, а некоторые удаляются до Сатурна. Орбиты большинства астероидов сосредоточены вблизи плоскости эклиптики; периоды обращения их составляют от 3,5 до 6 лет; предполагают, что они вращаются вокруг своих осей (на основании периодического изменения видимого блеска). По вещественному составу выделяют каменные, углистые и металлические астероиды.

Суммарная масса всех астероидов оценивается в 0,01 массы Земли. Их общее притяжение не вызывает ощутимых возмущений в движении Марса и других планет.

Орбиты некоторых астероидов пересекаются с орбитой Земли, но вероятность одновременного нахождения Земли и астероида в одной точке и их столкновения исключительно мала. Предполагают, что 65 млн лет назад на Землю упало небесное тело типа астероида в районе полуострова Юкатан и его падение вызвало помутнение атмосферы и резкое понижение среднегодовой температуры воздуха, что отразилось на экосистеме Земли.

В настоящее время астрономы обеспокоены необычным «нашествием» крупных небесных тел в окрестности планет Солнечной системы. Так, в мае 1996 г. на небольшом расстоянии от Земли пролетели два астероида. Многие специалисты предполагают, что Солнечная система попала в своеобразный шлейф из крупных небесных тел, образованных вне нашей системы, и считают поэтому, что наряду с ядерной угрозой опасностью номер один для нашей планеты стала опасность, исходящая от астероидов. Возникла новая важная проблема – создание космической защиты Земли от астероидов, которая должна включать в себя как средства наземного базирования, так и космические средства, в том числе и размещаемые в дальнем Космосе. Создание такой системы должно осуществляться на международной основе.

С другой стороны, возрастание числа видимых астероидов может быть объяснено возрастанием объема астрономической информации в последние годы, после того как наблюдения были перенесены с поверхности Земли в ближний Космос.

По вопросу о происхождении астероидов высказывались две прямо противоположные точки зрения. Согласно одной гипотезе, астероиды – осколки большой планеты (ее назвали Фаэтон), находившейся между Марсом и Юпитером на месте главного пояса астероидов и расколовшейся вследствие космической катастрофы из-за мощного гравитационного воздействия Юпитера. Согласно другой гипотезе, астероиды – протопланетные тела, возникшие за счет сгущения пылевой среды, которые не смогли объединиться в планету из-за возмущающегося действия Юпитера. В обоих случаях «виновником» оказывается Юпитер.

Кометы (греч. kometes – длинноволосый) – небольшие тела Солнечной системы, движущиеся по сильно вытянутым эллиптическим или даже параболическим орбитам. У некоторых комет перигелии находятся близ Солнца, а афелии – за пределами Плутона. Движение комет по орбитам может быть как прямым, так и обратным. Плоскости их орбит лежат в разных направлениях от Солнца. Периоды обращения комет весьма различны: от нескольких лет до многих тысяч лет. Десятая часть известных комет (около 40) появлялась неоднократно; их называют периодическими.

В кометах выделяется голова и хвост. Голова состоит из твердого ядра и комы. Ядро – ледяной конгломерат из застывших газов (водяного пара, диоксида углерода, метана, аммиака и др.) с примесью тугоплавких силикатов, углекислых и металлических частиц – железа, марганца, никеля, натрия, магния, кальция и др. Предполагают присутствие в ядре и органических молекул. Ядра комет невелики, поперечник их – от нескольких сотен метров до нескольких (50 – 70) километров. Кома – газово-пылевое окружение (водород, кислород и др.), светящееся при приближении к Солнцу. Близ перигелия из ядра кометы под влиянием солнечного тепла и корпускулярных потоков происходит «испарение» (возгонка) замерзших газов и образуется светящийся хвост кометы, иногда не один. Он состоит из разреженных газов и мелких твердых частиц и направлен в сторону, противоположную Солнцу. Длина хвостов достигает сотен миллионов километров. Земля уже не раз попадала в хвосты комет, например в 1910 г. Это вызвало тогда сильное беспокойство людей, хотя никакой опасности для Земли попадание в кометные хвосты не представляет: они столь разрежены, что примесь ядовитых газов, содержащихся в составе кометных хвостов (метан, циан), в атмосфере неощутима.

Среди периодических комет наиболее интересна комета Галлея, названная именем английского астронома, открывшего ее в 1682 г. и вычислившего период обращения (около 76 лет). Именно в ее хвосте оказалась Земля в 1910г. Последний раз она появилась в небе в апреле 1986 г., пройдя на расстоянии 62 млн км от Земли. Тщательные исследования кометы с помощью космических аппаратов показали, что ледяное ядро кометы – монолитное тело неправильной формы размером около 15x7 км, вокруг которого обнаружена гигантская водородная корона диаметром 10 млн км.

Кометы – недолговечные небесные тела, так как по мере приближения к Солнцу постепенно «тают» за счет интенсивного истечения газов или распадаются на рой метеоров. Метеорное вещество впоследствии более или менее равномерно распределяется по всей орбите родительской кометы. В этом отношении интересна история периодической (около 7 лет) кометы Биелы, открытой в 1826 г. Дважды после открытия астрономы наблюдали ее появление, а в третий раз, в 1846 г., им удалось зафиксировать деление ее на две части, которые при последующих возвращениях все больше отдалялись друг от друга. Затем метеорное вещество кометы растянулось по всей орбите, при пересечении которой Землей наблюдался обильный «дождь» метеоров.

Никаких точных данных, что Земля когда-либо сталкивалась с ядром кометы, не зафиксировано. В пределы орбиты Земли ежегодно проникает не более пяти комет. Однако есть версия, что знаменитый Тунгусский «метеорит», упавший в 1908 г. в бассейне реки Подкаменной Тунгуски, близ поселка Ванавара, является небольшим (около 30 м) осколком ядра кометы Энке, который в результате теплового нагрева в атмосфере взорвался, а «лед» и твердые примеси «испарились». При этом взрывной воздушной волной был повален лес на площади в радиусе 30 км.

В 1994 г. ученые наблюдали падение кометы Шумейкеров – Леви на Юпитер. При этом она распалась на десятки осколков по 3 – 4 км в диаметре, которые летели друг за другом с громадной скоростью – около 70 км/с, взрывались в атмосфере и испарялись. При взрывах возникло гигантское горячее облако размером в 20 тыс. км и температурой в 30 000 °С. Падение подобной кометы на Землю закончилось бы для нее космической катастрофой.

Предполагают, что «кометное облако», окружающее Солнце, образовалось вместе с Солнечной системой. Поэтому, исследуя вещество комет, ученые получают сведения о первичном материале, из которого сформировались планеты и спутники. Кроме того, появились предположения об «участии» комет в зарождении жизни на Земле, поскольку радиоспектроскопическими методами доказано наличие в кометах и метеоритах сложных органических соединений (формальдегида, цианоацетилена и др.).

Метеоры, называемые обычно «падающими звездами», – это мельчайшие (мг) твердые частицы, которые влетают в атмосферу со скоростью до 50 – 60 км/с, нагреваются из-за трения о воздух до нескольких тысяч градусов Цельсия, ионизируют газовые молекулы, заставляя их излучать свет, и испаряются на высоте 80–100 км над земной поверхностью. Иногда в небе появляется большой и исключительно яркий огненный шар, который может расколоться и даже взорваться во время полета. Такой метеор называют болидом. Подобный огненный шар взорвался 25 сентября 2002 г. в Иркутской области, между поселками Мама и Бодайбо. В небе фиксируются как единичные метеоры, беспорядочно появляющиеся на небосводе, так и группы метеоров в виде метеорных потоков, в пределах которых частицы движутся параллельно друг другу, хотя в перспективе кажется, что они разлетаются из одной точки неба, называемой радиантом. Метеорные потоки называются по тем созвездиям, в которых расположены их радианты. Земля пересекает орбиту Персеид около 12 августа, Орионид – 20 октября, Леонид – 18 ноября и т. д. Метеорные потоки движутся по орбитам тех астероидов или комет, в результате распада которых они образуются. Орбиты метеорных потоков тщательно изучаются в целях безопасности космических кораблей и аппаратов.

Метеоритами (от греч. meteora – небесные явления) называются крупные метеорные тела, которые падают на Землю. Ежегодно на земную поверхность выпадает около двух тысяч метеоритов общей массой около 20 тонн. Они представляют собой обломки округло-угловатой формы, покрытые обычно тонкой черной коркой плавления с многочисленными ячейками от сверлящего действия струй воздуха. По своему строению они бывают трех классов: железные, состоящие в основном из никелистого железа, каменные, в состав которых входят преимущественно силикатные минералы, и железокаменные, состоящие из смеси этих веществ. Среди каменных есть две группы: хондриты (зернистые метеориты) и ахондриты (землистые метеориты). Преобладают каменные метеориты (рис. 3). Физико-химический анализ метеоритов свидетельствует, что они состоят из химических элементов и их изотопов, известных на Земле, что подтверждает единство материи во Вселенной.

А

Б

Рис. 3. а – относительная частота выпадения метеоритов разных классов (по Дж. Буду); б – минеральный состав типичного хондрита (по В. Е. Хаину)

Самый крупный метеорит Гоба размером 2,75x2,43 м весом 59 т найден в юго-западной Африке, он железный. Сихотэ-Алинский метеорит (упал в 1947 г.) в воздухе раскололся на тысячи частей и выпал на Землю «железным дождем». Общий вес собранных осколков составляет около 23 т, ими создано 24 ударных кратера от 8 до 26 м в поперечнике. Метеорит Кааба («Черный камень») хранится в мечети г. Мекка в Саудовской Аравии и служит предметом поклонения мусульман. Много метеоритов обнаружено в Антарктиде, встречаются они и в осадках ложа Мирового океана.

На заре существования Земли, когда неиспользованного материала в Солнечной системе было еще очень много, а атмосфера Земли – защита от метеоритов – была еще очень тонка, количество метеоритов, бомбардировавших Землю, было огромно и ее поверхность напоминала лик Луны. Со временем большая часть кратеров была уничтожена тектоническими и экзогенными процессами, но многие из них все же сохранились в виде кольцеобразных геологических структур, называемых астроблемами («звездными шрамами»). Особенно хорошо они видны из Космоса. Они достигают десятков километров в диаметре. Изучение метеоритов позволяет судить о строении и свойствах небесных тел и пополняет наши сведения о внутреннем строении Земли.

Луна

Землю нередко и не без основания называют двойной планетой Земля–Луна. Луна (Селена, в греческой мифологии богиня Луны), наша небесная соседка, первой подверглась непосредственному изучению.

Общие сведения о Луне. Движения Луны. Луна – природный спутник Земли, находящийся от нее на расстоянии 384 тыс. км (60 радиусов Земли). Средний радиус Луны 1738 км (почти в 4 раза меньше земного). Масса Луны составляет 1/81 массы Земли, что значительно больше, чем подобные отношения у других планет Солнечной системы (кроме пары Плутон–Харон); поэтому систему Земля–Луна считают двойной планетой. Она имеет общий центр тяжести – так называемый барицентр, который находится в теле Земли на расстоянии 0,73 радиуса от ее центра (1700 км от поверхности Океана). Вокруг этого центра вращаются оба составляющих системы, и именно барицентр совершает движение по орбите вокруг Солнца. Средняя плотность лунного вещества 3,3 г/см³ (земного – 5,5 г/см³). Объем Луны в 50 раз меньше Земли. Сила лунного притяжения в 6 раз слабее земного. Луна вращается вокруг своей оси, из-за чего немного сплюснута у полюсов. Ось вращения Луны составляет с плоскостью лунной орбиты угол 83°22'. Плоскость орбиты Луны не совпадает с плоскостью орбиты Земли и наклонена к ней под углом 5°9'. Места пересечения орбит Земли и Луны называют узлами лунной орбиты.

Орбита Луны представляет собою эллипс, в одном из фокусов которого находится Земля, поэтому расстояние от Луны до Земли меняется от 356 до 406 тыс. км. Период орбитального обращения Луны и соответственно одинакового положения Луны на небесной сфере называют сидерическим (звездным) месяцем (лат. sidus, sideris (род. п.) – звезда). Он составляет 27,3 земных суток. Сидерический месяц совпадает с периодом суточного вращения Луны вокруг оси из-за их одинаковой угловой скорости (= 13,2° в сутки), установившейся по причине тормозящего воздействия Земли. Из-за синхронности этих движений Луна обращена к нам всегда одной стороной. Однако мы видим почти 60% ее поверхности благодаря либрации – кажущемуся покачиванию Луны вверх-вниз (из-за несовпадения плоскостей лунной и земной орбит и наклона оси вращения Луны к орбите) и влево-вправо (ввиду того что Земля находится в одном из фокусов лунной орбиты, а видимое полушарие Луны смотрит в центр эллипса).

Рис. 4. Фазы Луны	27,3 средних солнечных суток - продолжительность сидерического месяца 29,5 средних солнечных суток - продолжительность синодического месяца Рис. 5. Синодический и сидерический месяцы

При движении вокруг Земли Луна занимает различные положения относительно Солнца. С этим связаны различные фазы Луны, т. е. разные формы ее видимой части. Основные четыре фазы: новолуние, первая четверть, полнолуние, последняя четверть. Линию на поверхности Луны, отделяющую освещенную часть Луны от неосвещенной, называют терминатором (рис. 4).

В новолуние Луна находится между Солнцем и Землей и обращена к Земле неосвещенной стороной, поэтому невидна. В первую четверть Луна видна с Земли на угловом расстоянии 90° от Солнца, а солнечные лучи освещают лишь правую половину обращенной к Земле стороны Луны. В полнолуние Земля находится между Солнцем и Луной, обращенное к Земле полушарие Луны ярко освещено Солнцем, и Луна видна как полный диск. В последнюю четверть Луна вновь видна с Земли на угловом расстоянии 90° от Солнца, а солнечные лучи освещают левую половину видимой стороны Луны. В промежутках между этими основными фазами Луна видна то в виде серпа, то как неполный диск.

Период полной смены лунных фаз, т. е. период возвращения Луны в первоначальное положение относительно Солнца и Земли, называют синодическим месяцем. Он составляет в среднем 29,5 средних солнечных суток. В течение синодического месяца на Луне один раз происходит смена дня и ночи, продолжительность которых –14,7 суток. Синодический месяц более чем на двое суток больше сидерического. Это результат того, что направление осевого вращения Земли и Луны совпадает с направлением орбитального движения Луны. Когда Луна за 27,3 суток совершит полный оборот вокруг Земли, Земля по своей орбите вокруг Солнца продвинется примерно на 27°, так как ее угловая орбитальная скорость около 1° в сутки. При этом Луна займет то же положение среди звезд, но не будет в фазе полнолуния, так как для этого ей надо продвинуться по своей орбите еще на 27° за «убежавшей» Землей. Поскольку угловая скорость движения Луны равна примерно 13,2° в сутки, она преодолевает это расстояние примерно за двое суток и дополнительно продвигается еще на 2° за движущейся Землей. В результате синодический месяц оказывается на двое с лишним суток больше сидерического (рис. 5). Хотя Луна движется вокруг Земли с запада на восток, видимое перемещение ее на небосводе происходит с востока на запад благодаря большой скорости вращения Земли по сравнению с орбитальным движением Луны. При этом во время верхней кульминации (высшей точки своего пути на небосводе) Луна показывает направление меридиана (север – юг), чем можно пользоваться для приблизительной ориентировки на местности. А так как верхняя кульминация Луны при разных фазах происходит в разные часы суток: при первой четверти – около 18 ч, во время полнолуния – в полночь, при последней четверти – около 6 ч утра (по местному времени), то этим можно пользоваться и для приблизительной оценки времени ночью.

Физическая природа Луны. Интенсивное изучение физической природы Луны началось с 1959 г., когда советский космический аппарат «Луна-2» впервые достиг поверхности Луны, а «Луна-3» сфотографировал из космоса обратную сторону Луны. В 1966 г. «Лу-на-9» совершила мягкую посадку на Луну, установив, что грунт планеты имеет прочную структуру, а не пылеобразную, как считали некоторые ученые. 21 июля 1969 г. на Луне впервые побывали земляне – американцы Нейл Армстронг и Эдвин Олдрин. В 1970 и 1973 гг. на Луне в течение нескольких месяцев работали советские автоматические передвижные устройства – луноходы. Они передали на Землю более 20 000 изображений, исследовали химический состав и физико-механические свойства лунного грунта.

В настоящее время рельеф Луны достаточно хорошо изучен. Видимые невооруженным глазом темные участки, названные некогда«морями», оказались обширными безводными низменными равнинами (самая большая –«Океан Бурь»), а светлые участки – «материки» представлены возвышенными и гористыми пространствами. Максимальная амплитуда высот более 10 км. Основные планетарные структуры лунной поверхности – кольцевые кратеры диаметром до 20 – 30 км и многокольцевые цирки диаметром от 200 до1000 км, окаймленные гористыми местностями. Предполагают, что кольцевые структуры имеют различное происхождение – метеоритное, вулканическое или комбинированное ударно-взрывное. Специалист по рельефу планетных тел А. А. Лукашов считает, что устройство поверхности Луны «демонстрирует подчиненную роль эндогенных факторов по сравнению с факторами космогенными...». Метеоритная теория в настоящее время наиболее признанная. Нередки на Луне и линейные образования: тектонические разломы, вытянутые горные гряды и хребты (Кавказ, Альпы, Апеннины, Карпаты и др.).

Исследования образцов лунных грунтов, доставленных на Землю в 1970–1973 гг. американскими астронавтами на космических кораблях «Аполлон» и советскими космическими аппаратами «Луна», показали, что по минералого-петрографическому составу поверхностные обломочные породы Луны (так называемый реголит) схожи с земными магматическими породами – базальтами и др. Мощность лунной коры около 65 км. В коре «морей» отмечается повышенное содержание тяжелых элементов (железа, титана, хрома, циркония, тория и др.), в коре «материков» – окиси кремния, алюминия, натрия, калия. Альбедо поверхности Луны составляет в среднем около 7%. У лунного грунта, насыщенного инертными газами, чрезвычайно низкая теплопроводность, из-за чего на глубине 0,5 м постоянная температура – около –50 °С. Магнитное поле Луны очень слабое.

На Луне нет ни атмосферы, ни гидросферы. Температура на поверхности Луны изменяется от +130°С на освещенной стороне до –170 °С на теневой. Причина температурных контрастов заключается в отсутствии воздуха. А поскольку нет воздуха, то нет ни ветра, ни звуков, ни облаков, ни дождей, не бывает ни зари, ни сумерек, ни радуги. Небо там всегда совершенно черное, на нем одновременно можно видеть звезды, Солнце и Землю, которая висит на небосводе в одном и том же месте.

Главными факторами разрушения горных пород на поверхности Луны и изменения ее лика являются: 1) суточные колебания температуры; 2) бомбардировка метеоритами, приводящая к расплавлению и спеканию поверхностных пород и уменьшающая гравитационное смещение материала; 3) облучение поверхностных пород солнечным ветром; 4) космический вакуум, который необходимо учитывать при излиянии магмы на поверхность и интенсивном ее разбрызгивании в ранние геологические эпохи (около 2 млрд лет назад). Сейчас же глубинная активность Луны ослаблена, и она представляет собой тектонически безжизненное тело, лунотрясения редки. Лунный ландшафт – каменистая пустыня. При таких природных условиях органическая жизнь на Луне невозможна. Общепринятой точки зрения на образование Луны («дочь» она или «сестра» Земли?) нет.

Приливы и отливы на Земле. Луна, являясь ближайшим к Земле и большим по массе космическим телом, оказывает на нее наибольшее гравитационное воздействие, вызывая приливы и отливы во всех оболочках Земли: литосфере, атмосфере, гидросфере и биосфере. Приливообразующая сила – равнодействующая силы притяжения Луны и центробежной силы, возникающей при вращении системы Земля–Луна вокруг барицентра. На Земле одновременно существуют два прилива в ближайшей точке к Луне и наиболее удаленной и два отлива в точках, расположенных на угловом расстоянии 90° от линии Луна – Земля (рис. 6). Поскольку Луна обращается вокруг Земли с запада на восток и за солнечные сутки (24 ч) проходит по своей орбите 13,2°, то лунные сутки – промежуток времени между двумя последовательными одноименными кульминациями Луны на любом меридиане Земли – оказываются длиннее солнечных суток на 50 мин и равны 24 ч 50 мин. В течение лунных суток на Земле бывает два прилива и два отлива. Полный приливной цикл, т. е. изменение уровня воды в Мировом океане, где приливы и отливы наиболее выразительны, между последовательными приливами (или отливами), завершается за 12 ч 25 мин, а между приливом и отливом проходит 6 ч 12 мин 30 с.

– сила тяготения

– центробежная сила

– равнодействующая сила

Рис. 6. Приливообразующие силы Луны (по Л. К. Давыдову и др.)

Одновременно с лунными приливами бывают и солнечные приливы с полным периодом 24 ч, но они в 2,2 раза слабее лунных в связи с большой удаленностью Солнца от Земли. Лунные и солнечные приливы складываются в новолуние и полнолуние (сизигийные приливы) и вычитаются в первой и последней четверти (квадратурные приливы). Первые примерно на 40% выше вторых.

Общепланетарное значение приливных волн заключается в том, что, перемещаясь с востока на запад вслед за видимым передвижением Луны, они тормозят осевое вращение Земли и удлиняют сутки (на 0,0016 с в столетие). При этом изменяется не только фигура Земли за счет медленного уменьшения полярного сжатия, но и лик Земли. Благодаря приливам все оболочки Земли непрерывно пульсируют. Они вызывают ежесуточные вертикальные смещения земной поверхности до 50 см, полусуточные колебания приземного атмосферного давления, изменяют условия органической жизни в прибрежных частях Мирового океана, формируют берега, т. е. участвуют во многих природных процессах, а также оказывают влияние на хозяйственную деятельность приморских стран.

Рис. 7. Солнечное (а – полное, в – частное) и лунное (полное) затмения

Лунные и солнечные затмения. На Земле периодически происходят лунные и солнечные затмения. Их наблюдают тогда, когда Солнце, Земля и Луна находятся на одной линии, т. е. когда новолуние или полнолуние случается вблизи узлов лунной орбиты. В фазу новолуния Луна загораживает своим непрозрачным телом диск Солнца для жителей некоторых районов Земли – происходит солнечное затмение (полное, частное, кольцеобразное). В фазу полнолуния, будучи на одной прямой с Солнцем и Землей, Луна попадает в конусообразную тень Земли – происходит лунное затмение (полное или частное), видимое на ночном полушарии Земли (рис. 7).