Анатомия кометы: ядро, кома и хвост - Кометы, вероятность и возможные последствия столкновения их с Землей

В отличие от мерцающих звезд и четко очерченных планет комета выглядит как туманное светящееся пятнышко. Это пятнышко называют головой кометы. Есть кометы очень яркие и их без труда можно наблюдать невооруженным глазом, они всегда имеют светящиеся длинные хвосты. Именно поэтому их назвали "кометы", что в переводе с греческого языка означает "хвостатые звезды".

При первом знакомстве с яркой кометой может показаться, что хвост - самая главная часть кометы. Но если в этимологии слова "комета" хвост явился главной причиной для подобного наименования, то с физической точки зрения хвост является вторичным образованием, развившимся из весьма небольшого ядра, самой главной части кометы как физического объекта. Ядро кометы является единственной ее твердой частью, в нем сосредоточена почти вся ее масса. Поэтому ядро - первопричина всего остального комплекса кометных явлений. Ядра комет до сих пор все еще недоступны телескопическим наблюдениям, так как они вуалируются окружающей их светящейся материей, непрерывно истекающей из ядер. Применяя большие увеличения, можно заглянуть в более глубокие слои светящейся газопылевой оболочки, но и то, что останется, будет по своим размерам все еще значительно превышать истинные размеры ядра. Центральное сгущение, видимое в атмосфере кометы визуально и на фотографиях, называется фотометрическим ядром. Считается, что в центре его находится собственно ядро кометы, то есть располагается центр масс. Однако, как показал советский астроном Д. О. Мохнач, центр масс может не совпадать с наиболее яркой областью фотометрического ядра. Это явление носит название эффекта Мохнача.

Туманная атмосфера, окружающая фотометрическое ядро, называется комой. Кома вместе с ядром составляют голову кометы - газовую оболочку, которая образуется в результате прогревания ядра при приближении к Солнцу. Вдали от Солнца голова выглядит симметричной, но с приближением к нему она постепенно становится овальной, затем удлиняется еще сильнее и в противоположной от Солнца стороне из нее развивается хвост, состоящий из газа и пыли, входящих в состав головы. Плотность и комы, и особенно хвоста, чрезвычайно мала. Хвост у кометы бывает прямой или изогнутый и направлен от ядра в сторону, противоположную Солнцу. Поэтому когда комета из межпланетного пространства приближается к нашему светилу, то движется она головой вперед. А вот когда, обогнув Солнце, комета удаляется от него, то хвост движется впереди головы.

Итак, ядро - самая главная часть кометы. Однако до сих пор нет единодушного мнения, что оно представляет собой на самом деле. Еще во времена Лапласа существовало мнение, что ядро кометы - твердое тело, состоящее из легко испаряющихся веществ типа льда или снега, быстро превращающихся в газ под воздействием солнечного тепла. Эта классическая ледяная модель кометного ядра была существенно дополнена в последнее время. Наибольшим признанием пользуется разработанная Уиплом модель ядра - конгломерата из тугоплавких каменистых частиц и замороженных летучих компонентов (метана, углекислого газа, воды и др.). В таком ядре ледяные слои из замороженных газов чередуются с пылевыми слоями. По мере прогревания газы, испаряясь, увлекают за собой облака пыли. Это позволяет объяснить образование газовых и пылевых хвостов у комет, а также способность небольших ядер к газовыделению.

Согласно Уиплу механизм истечения вещества из ядра объясняется следующим образом. У комет, совершивших небольшое число прохождений через перигелий, - так называемых "молодых" комет - поверхностная защитная корка еще не успела образоваться, и поверхность ядра покрыта льдами, поэтому газовыделение протекает интенсивно путем прямого испарения. В спектре такой кометы преобладает отраженный солнечный свет, что позволяет спектрально отличать "старые" кометы от "молодых". Обычно "молодыми" называются кометы, имеющие большие полуоси орбит, так как предполагается, что они впервые проникают во внутренние области Солнечной системы. "Старые" кометы - это кометы с коротким периодом обращения вокруг Солнца, многократно проходившие свой перигелий. У "старых" комет на поверхности образуется тугоплавкий экран, так как при повторных возвращениях к Солнцу поверхностный лед, подтаивая, "загрязняется". Этот экран хорошо защищает находящийся под ним лед от воздействия солнечного света.

Модель Уипла объясняет также причину негравитационных сил, отклоняющих комету от расчетного пути. Потоки, истекающие из ядра, создают реактивные силы, которые и приводят к ускорениям или замедлениям в движении короткопериодических комет.

Существуют также другие модели, отрицающие наличие монолитного ядра: одна представляет ядро как рой снежинок, другая - как скопление каменно-ледяных глыб, третья говорит о том, что ядро периодически конденсируется из частиц метеорного роя под действием гравитации планет. Все же наиболее правдоподобной считается модель Уипла.

Массы ядер комет в настоящее время определяются крайне неуверенно, поэтому можно говорить о вероятном диапазоне масс: от нескольких тонн (микрокометы) до нескольких сотен, а возможно, и тысяч миллиардов тонн.

Кома кометы окружает ядро в виде туманной атмосферы. У большинства комет кома состоит из трех основных частей, заметно отличающихся своими физическими параметрами:

- наиболее близкая, прилегающая к ядру область - внутренняя, молекулярная, химическая и фотохимическая кома, - видимая кома, или кома радикалов, - ультрафиолетовая, или атомная кома.

На расстоянии в 1 а. е. от Солнца средний диаметр внутренней комы D1= 10км, видимой D2= 105 - 106км и ультрафиолетовой D3= 107км.

Во внутренней коме происходят наиболее интенсивные физико-химические процессы: химические реакции, диссоциация и ионизация нейтральных молекул. В видимой коме, состоящей в основном из радикалов (химически активных молекул) (CN, OH, NH2 и др.), процесс диссоциации и возбуждения этих молекул под действием солнечной радиации продолжается, но уже менее интенсивно, чем во внутренней коме.

По мере приближения кометы к Солнцу диаметр видимой головы день ото дня растет, после прохождения перигелия ее орбиты голова снова увеличивается и достигает максимальных размеров между орбитами Земли и Марса. В целом для всей совокупности комет диаметры голов заключены в широких пределах: от 6000 км до 1 млн. км.

Головы комет при движении кометы по орбите принимают разнообразные формы. Вдали от Солнца они круглые, что объясняется слабым воздействием солнечных излучений на частицы головы, и ее очертания определяются изотропным расширением кометного газа в межпланетное пространство но по мере приближения к Солнцу, под воздействием солнечного давления, голова принимает вид параболы или цепной линии.

С. В. Орлов предложил следующую классификацию кометных голов, учитывающую их форму и внутреннюю структуру:

- Тип E; - наблюдается у комет с яркими комами, обрамленными со стороны Солнца светящимися параболическими оболочками, фокус которых лежит в ядре кометы. - Тип C; - наблюдается у комет, головы которых в четыре раза слабее голов типа E и по внешнему виду напоминают луковицу. - Тип N; - наблюдается у комет, у которых отсутствует и кома и оболочки. - Тип Q; - наблюдается у комет, имеющих слабый выступ в сторону Солнца, то есть аномальный хвост. - Тип h; - наблюдается у комет, в голове которых генерируются равномерно расширяющиеся кольца - галосы с центром в ядре.

Головы комет при движении комет по орбите принимают разнообразные формы. Вдали от Солнца головы комет круглые. Это бесхвостые кометы, по внешнему виду напоминающие шаровые звездные скопления. Приближаясь к Солнцу, голова кометы принимает форму параболы или цепной линии. Параболическая форма головы объясняется "фонтанным" механизмом. Образование голов в форме цепной линии связано с плазменной природой кометной атмосферы и воздействием на нее солнечного ветра и с переносимым им магнитным полем.

Иногда голова кометы столь мала, что хвост кометы кажется выходящим непосредственно из ядра. Кроме изменения очертаний в головах комет то появляются, то исчезают различные структурные образования: галосы, оболочки, лучи, излияния из ядра и т. п.

Галосы: Галосообразование в кометах заключается в появлении на фоне диффузного свечения комы системы расширяющихся концентрических светящихся колец. Расширяясь со скоростью 1-2 км/сек., галосы постепенно сливаются с фоном неба и становятся невидимыми. Наиболее рельефно галосы наблюдались в головах ярких комет.

Впервые галосы были обнаружены Шмидтом в голове яркой кометы Донаты (1858). После этого галосы были обнаружены в кометах Поиса-Брукса (1884), Галлея (1910), Олкола (1963) и Хонда (1955).

Галосообразование, как показывают наблюдения, обычно происходят в период сильных изменений яркости кометы - вспышек блеска. Особенно наглядно эта связь проявилась в комете 1892, открытой Холмсом в Лондоне 6 ноября 1892 г. во время сильной вспышки блеска, так как комета уже прошла перигелий (на 4,5 месяца раньше, чем она была открыта). При этом наблюдалось постепенное расширение головы и падение поверхностной яркости. Спектральные наблюдения галосов комет Галлея (1910) и Олкока (1963) указывали на присутствие в галосах излучений СN и С2 Однако, в отличие от молекул СN и С2, наблюдавшихся в других структурных образованиях комет, например, оболочках, которые заметным образом подвергаются отталкивательным силам, на те же молекулы в галосах лучевое давление не действует. С. В.Орлов предложил считать галосы аномальным образованием в кометах.

Так как галосы всегда обладают сферической симметрией, их формирование должно происходить без участия магнитных сил. Л. М. Лульман предложил механизм образования галоса при условии сверхзвукового истечения вещества из ядра. В таком потоке по законам гидродинамически образуется скачок плотности (аналогичный наблюдавшимся скачкам плотности при сверхзвуковом истечении газа из сопла Лаваля). Этот скачок плотности и будет наблюдаться как галос. Такой механизм позволяет объяснить, почему галосы не подвергаются действию лучевого давления (эффект Орлова). Если галос представляет собой скачок плотности в сверхзвуковом потоке кометного газа, то он будет являться волновым образованием, на которое лучевое давление не действует.

Лучи: Довольно часто в хвостах I типа наблюдаются тонкие прямолинейные лучи, выходящие под углами из ядра и составляющие в совокупности хвост.

В спектре лучистых хвостов в основном наблюдаются линии ионов СО, N и др., непрерывный спектр отсутствует. Таким образом, лучи - это плазменные образования. Поэтому наиболее вероятно, что лучи представляют собой кометную плазму, сжатую в волокна под действием внешних магнитных и электрических полей. Волокнистая структура космической плазмы - чрезвычайно распространенное явление в природе: волокнистая структура межзвездной среды и туманностей, лучи и тонкие волокна солнечной короны, лучевые формы полярных сияний и, наконец, лучевые системы кометных хвостов.

Большой интерес вызывает образование лучевой системы с чрезвычайно интенсивными волнистыми струями, наблюдавшиеся у кометы Беннета (1970) 2 апреля 1970 года. В ночь с 3 на 4 апреля структура хвоста стала еще сложнее и запутаннее; в конце концов весьма активный процесс, происходивший в указанное время в атмосфере кометы Беннета, увенчался образованием красивого пламенного облачка, обладавшего сложной волокнистой структурой.

Иногда наблюдаются лучевые системы, связанные с облачными образованиями, движущимися с большими ускорениями в хвосте кометы. Вместе с облачными образованиями двигались и их лучевые системы. Например, у кометы Морхауза (1908) 15-17 октября 1908 года наблюдались одновременно лучевые системы, выходящие из головы кометы и из нескольких облачных образований, напоминающих собой как бы отдельные кометные головы. Альвен предложил следующий механизм образования лучевых систем в хвостах комет. Солнечный ветер с "вмороженными" в него магнитными силовыми линиями, сталкиваясь с нейтральной головой кометы, ионизует часть газа. На ионизованной коме происходит торможение солнечного ветра, и силовые линии начинают изгибаться, повторяя контуры головы. При этом некоторые силовые линии загибаются почти на 90 к начальному направлению поля. Так как кометные ионы могут распространяться только вдоль силовых линий, последние постепенно материализуются и становятся видимыми как лучи. Движение кометных ионов вдоль силовых линий объясняет также появление спиралеобразных, винтовых лучей.

Лучевые структуры в хвосте I типа могут представлять собой токовую систему, генерируемую вихревыми магнитными полями, переносимыми солнечным ветром. Вследствие гигантских размеров ионизованных хвостов электрические токи в них будут определяться самоиндукцией. Возникновение лучей (токов) может быть связано с "падающей" характеристикой, т. е. электрическое поле, необходимое для поддержания тока, будет убывающей функцией. При постоянстве полной плотности тока локализация токов в лучах требует более слабого поля, чем тогда, когда ток равномерно заполняет весь объем хвоста кометы. Таким образом, развитие лучей, по которым распространяются токи, делает электрическое поле в хвосте минимальным.

Оболочки: Явление сжимающихся оболочек было обнаружено в комете Морхауза (1908). Как показали наблюдения А. Эддингтона, оболочки возникали приблизительно на одном и том же расстоянии от ядра, причем сначала появлялись вершины оболочек с интервалами порядка нескольких десятков минут, так что можно было одновременно наблюдать в голове кометы сразу несколько оболочек. Как только появлялся сгусток свечения (вершина), он сразу же начинал двигаться к ядру, становясь по мере приближения все резче и протяженнее. При этом у оболочек начинали развиваться боковые ветви (одна или две). Вблизи ядра оболочка становилась размытой. Полное формирование дуги из оболочки происходило в интервале десятков минут или часа. Форма оболочки в течение всего времени развития оставалась сферической. Боковые ветви оболочки (лучи) уходили в хвост к оси хвоста, сливаясь затем с главным хвостом 1 типа, расположенным вдоль радиуса-вектора. Оболочки целиком состояли из ионов СО.

В других кометах столь явно, как в комете Морхауза, явление сжимающихся оболочек не наблюдалось, однако, об их образовании в таких кометах, как комета Даниэля (1907), Финслера (1937), Маркоса (1957) Тато-Сато-Косака (1969), Беннета (1970) и др., можно судить по наличию остатков таких оболочек в виде лучей, формирующих характерную "луковичную" структуру. Сжимающиеся плазменные оболочки формируются под воздействием солнечного ветра, однако, физический механизм их образования до конца не ясен.

Происхождением и формой кометных хвостов ученые заинтересовались давно. Например, И. Ньютон, наблюдая за яркой кометой 1680 г. пришел к выводу, что хвост должен развиваться следующим образом: "Приближаясь к Солнцу, вещество головы кометы постепенно нагревается и начинает испаряться в эфирную среду, заполняющую межпланетное пространство, которая таким образом и сама нагревается. От нагревания межпланетный эфир становится разреженным и движется по направлению от Солнца, увлекая за собой кометные испарения, подобно тому, как горячий воздух, поднимаясь из печных труб, увлекает за собой частицы топлива и пара. С механической точки зрения кометные испарения отталкиваются от Солнца и движутся, сохраняя орбитальную скорость кометы". Исходя из такой мысли, И. Ньютон рассчитал, что хвост кометы 1680 г., который он наблюдал 25 января, мог сформироваться за 45 суток.

Не оставил без внимания кометы и М. В. Ломоносов. Наблюдая большую комету 1744 г., он писал: "На теневой стороне ядра холод, на солнечной - жар. Около тени сильное движение атмосферы и трение...", а это является той причиной, по которой "возбуждается и рождается великая электрическая сила. Хвосты комет здесь почитаются за одно с северным сиянием".

Ф. Бессель, исследуя форму хвоста кометы Галлея в ее появлении в 1835 г., впервые объяснил ее действие отталкивательных сил, исходящих из Солнца и изменяющихся обратно пропорционально квадрату гелиоцентрического расстояния. 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 протяженность. 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 ее 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 употреблен 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 еще 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.

Анатомия кометы: ядро, кома и хвост - Кометы, вероятность и возможные последствия столкновения их с Землей

Похожие статьи