Ясной темной ночью, наблюдая величественную и неповторимую по своей красоте панораму неба, усеянного тысячами звезд, образующих знакомые нам с детства созвездия и серебряный пояс Млечного пути, можно заметить, как вдруг бесшумно и быстро прочерчивает небо яркая «падающая звезда». Разбрызгивая по сторонам множество искр, она исчезает так же неожиданно, как и появилась. После нее иногда остается белесая полоска следа, которая вскоре растворяется в ночном небе. Это метеор, интересное природное явление, знакомое человоку с незапамятных времен.
Метеор от греческого «метеорос» — парящий в воздухе.
В состав Солнечной системы, кроме восьми планет, их спутников, астероидов и комет, входит огромное количество мелких твердых тел различных размеров. Врываясь в атмосферу Земли с космическими скоростями, такие тела создают явления метеора — светящегося следа сгорающей в атмосфере метеорной частицы.
Входящий в атмосферу с космической скоростью метеороид начинает взаимодействовать с атомами и молекулами атмосферы. На больших высотах (выше 120 км), где атмосфера разреженная, можно рассматривать удары о поверхность метеороида отдельных атомов и молекул воздуха. Эти удары (со скоростью, напомним, от 11 до 72 км/с) вызывают мгновенный разогрев небольших участков поверхности и испарение нескольких атомов вещества метеороида.
Совокупность таких тел принято называть метеорным или метеороидным веществом. Размеры метеорных тел (метеороидов) находятся в широких пределах — от долей микрона до нескольких десятков метров. Наиболее яркие метеоры, звездная величина которых меньше звездной величины Венеры (-4m), называются болидами. Естественно, что при прочих равных условиях болиды образуются более массивными телами, чем просто метеоры. Очень слабые (телескопические) метеоры вызываются самыми мелкими телами. Оптическое излучение может вообще не наблюдаться, а регистрируется радиолокационное эхо от метеорного следа (радиометеор). Весь комплекс метеорных тел подразделяется на два класса: спорадические метеороидные (метеорные) тела и метеороидные (метеорные) рои, которые, проникая в атмосферу Земли, порождают соответственно метеоры и метеорные потоки.
Метеоры, которые наблюдаются каждую ночь и движутся по всевозможным направлениям, называются случайными или спорадическими. Радиантом спорадического метеора называется воображаемая точка пересечения направления его движения в атмосфере Земли с небесной сферой. Такой радиант достаточно надежно определяется из наблюдений одиночного метеора из двух различных пунктов. Спорадические метеоры в пространстве независимы друг от друга, поэтому их радианты в первом приближении достаточно равномерно покрывают всю небесную сферу. От спорадических отличаются метеоры, которые появляются в определенное время года и вызываются метеороидами, движущимися в пространстве целыми группами по почти параллельным траекториям. Такие метеоры принято называть поточными, а явление взаимодействия подобной группы метеороидов с атмосферой Земли — метеорным потоком.
Метеорные потоки — одно из интереснейших явлений, наблюдаемых в атмосфере Земли. Они наблюдаются, когда Земля на своем пути пересекает движущееся скопление (рой) мелких метеороидов. Обычно через несколько дней она выходит из скопления. Толщину роя можно определить по времени наблюдаемости метеорного потока — она (толщина) характеризует длину пути, проходимого Землей сквозь рой. Например, поток Персеиды наблюдается в течение 10 дней и, следовательно, толщина роя достигает 26 млн км. Поэтому метеорные потоки, создавая весьма эффектные явления, дают значительно меньший вклад в общее число метеоров в земной атмосфере (поток метеорного вещества на Землю составляет примерно около 100 000 т в сутки), нежели вклад спорадических метеоров, активность которых в течение года не прекращается.
Видимые траектории метеоров потока, спроектированные на небесную сферу, пересекаются в некоторой малой окрестности, называемой радиантом метеорного потока. Порождающие метеорный поток метеорные тела являются элементами метеороидного роя и движутся в межпланетном пространстве по весьма схожим орбитам.
Комплекс метеорного вещества в Солнечной системе представляется уже в самом общем виде упорядоченным. Отдельные метеоры совершают своё движение вокруг Солнца по замкнутым орбитам, в том же направлении, что и более крупные тела Солнечной системы - планеты и их спутники. Эта картина становится ещё более закономерной и упорядоченной, если принять во внимание, что целые рои метеорных тел движутся по общим орбитам, образуя более или менее мощные метеорные потоки. Эти потоки легко распознаются при наблюдении с Земли. Метеоры, принадлежащие к одному и тому же рою, движутся по взаимно параллельным путям, и наблюдателю кажется, что они вылетают из одной точки неба, называемой радиантом. Радиолокация позволила значительно расширить сведения о метеорных потоках, открыв так называемые дневные потоки, радианты которых только днём восходят над горизонтом наблюдателя.
Визуальными наблюдениями было установлено существование нескольких десятков достаточно ярко выраженных ночных метеорных потоков. Сведения о наиболее активных потоках приведены в таблице, где положение радианта определено его небесными координатами: прямым восхождением (α) и склонением (δ)
Названия метеорных потоков происходят от созвездий, в которых располагаются их радианты. В СССР можно наблюдать все радианты северного полушария и часть радиантов южного полушария - примерно до 40 градусов южного склонения. Радианты южного полушария неба можно изучать из пунктов, расположенных в южных районах Советского Союза.
Зная радиант, т.е. направление движения метеоров относительно Земли и их геоцентрическую скорость, можно вычислить орбиты метеорных потоков. Орбита метеорного потока, как и всякого тела Солнечной системы, задаётся шестью элементами, определяющими, во-первых, взаимное положение плоскостей орбиты потока и Земли, во-вторых, форму и положение эллипса орбиты в этой плоскости и, в-третьих, момент прохождения метеоров через перигелий - ближайшую к Солнцу точку орбиты (противоположная ей, наиболее удалённая от Солнца точка орбиты называется афелием).
Таким образом, чтобы знать форму и положение в пространстве орбиты метеорного потока, необходимо определить пять элементов, а именно: наклон плоскости орбиты к эклиптике (i); долготу восходящего узла, представляющую собой угловое расстояние в плоскости эклиптики от точки весеннего равноденствия до точки, в которой пересекаются плоскости орбиты Земли и метеорного потока; угловое расстояние перигелия от восходящего узла, отсчитываемое в плоскости орбиты (ω); расстояние потока от Солнца в перигелии (q), выраженное в астрономических единицах, или же большую полуось эллипса орбиты (a); эксцентриситет орбиты (e), величина которого для эллипсов лежит в пределах от 0 до 1. Период обращения потока вокруг Солнца (Р) связан с величиной большой полуоси орбиты третьим законом Кеплера: P = a3/2. Время прохождения объекта через перигелий, обычно вычисляемое для планет и комет, для метеорных потоков не вычисляется, так как не представляет никакого интереса.
Метеорные потоки, для которых известны орбиты, можно разделить на три группы. К первой группе принадлежат метеорные потоки, афелии которых уходят далеко за пределы орбиты Юпитера. Орбиты этих потоков сильно вытянуты, наклонены к плоскости эклиптики под. значительными углами, иногда превышающими 90 градусов (в случае обратного движения). Периоды обращения таких потоков вокруг Солнца исчисляются десятками лет. Таковы метеорные потоки Лириды, γ-Аквариды, Ориониды, Персеиды и Леониды.
Ко второй группе принадлежат метеорные потоки, афелии орбит которых близки к орбите Юпитера. Такие орбиты незначительно наклонены к плоскости эклиптики. Эта группа потоков постоянно подвергается возмущениям со стороны Юпитера, образуя так называемое семейство Юпитера. Таковы Андромедиды, Боотиды, Дракониды. Периоды обращения этих потоков составляют несколько лет. Условия видимости с Земли этих потоков изменяются в значительных пределах, так как сближение метеорных потоков с Юпитером каждый раз приводит к довольно значительному изменению их орбит.
Наконец, третья группа, представляет семейство орбит метеорных потоков, расположенных вблизи орбиты Земли. Метеоры этой группы движутся в том же направлении, что и Земля. Их орбиты незначительно наклонены к эклиптике. К этой группе принадлежат Квадрантиды, Виргиниды, δ-Аквариды, Скорпиониды, Геминиды и весьма обильные дневные метеорные потоки. Периоды обращения этих метеорных потоков составляют 1-3 года. Среди метеорных тел, обращающихся вблизи орбиты Земли, имеются и относительно крупные, дающие яркие болиды. Метеоры потоков третьей группы нагоняют Землю, поэтому их геоцентрическая скорость незначительна.
По распределению метеорного вещества вдоль орбиты все метеорные потоки можно разделить на два класса. К первому классу относятся метеорные потоки с резко выраженным скоплением метеоров в одном из участков орбиты. При ежегодной встрече с Землёй такой поток проявляется слабо. В годы же, когда Земля встречает основное скопление метеорных тел, наблюдается чрезвычайно обильное появление метеоров, так называемый звёздный, точнее, метеорный дождь. К подобного рода потокам относятся Лириды, Леониды, Дракониды, Андромедиды (Биэлиды). Основная масса метеорного вещества сосредоточена в этих потоках в компактном рое, и лишь небольшое количество метеорных тел встречается на остальном протяжении орбиты.
У других потоков принадлежащих ко второму классу, метеорное вещество рассредоточено приблизительно равномерно вдоль всей орбиты, образуя своего рода "баранку", обращающуюся вокруг Солнца. Типичным примером такого рода метеорного потока являются Персеиды, ежегодно наблюдаемые примерно в одном и том же количестве. Большинство метеорных потоков относится именно к этому второму классу.
Пространственная плотность метеорного вещества в потоках выше, чем средняя плотность спорадических метеоров. Однако даже в таких обильных потоках, как Персеиды или Геминиды, одна частица, дающая метеор, видимый невооружённым глазом, приходится в среднем на кубический объём пространства с ребром в 100-120 км. И только для наиболее плотных участков метеорных потоков первой группы, когда часовое число метеоров доходит до нескольких тысяч, взаимное расстояние между подобного рода частицами снижается до 30 и даже до 15 км, как это имело место во время звёздного дождя Леонид 1833 г.
Распределение частиц по массе в потоках существенно отличается от распределения для спорадического метеорного материала. Величина n, показывающая, во сколько раз увеличивается количество метеорных частиц при переходе от одной звёздной величины к другой, по данным К. Хоффмейстера имеет для каждого метеорного потока присущее ему значение и изменяется от 4,0 для Орионид до 1,7 для Лирид. По более точным, радиолокационным наблюдениям, охватывающим метеоры до 8-9-й звёздной величины, величина n для Персеид, Геминид, Квадрантид колеблется в пределах 1,7-1,9. Это означает, что значительная часть этих метеорных потоков преимущественно состоит из относительно крупных метеорных тел. В то же время некоторые метеорные потоки, как, например, упоминавшиеся уже Ориониды (n = 4) или Арнетиды (n = 3,2), наоборот, относительно обогащены мелкими частицами. Это обстоятельство указывает на различный возраст метеорных потоков, находящихся на разных стадиях своего развития.
Большой интерес представляет структура метеорных потоков. Для представления о пространственной структуре потоков необходимо знать распределение метеорных частиц вдоль центральной (осевой) линии потока, а также в поперечном сечении. Представление о строении потока в поперечном сечении можно получить, наблюдая метеоры потока изо дня в день со дня их первого появления до полного исчезновения. Это поперечное сечение для ряда потоков весьма велико. Достаточно указать, что поток Персеид Земля пересекает в течение месяца, что соответствует поперечнику потока около 80 миллионов километров. С другой стороны, некоторые метеорные потоки, как, например, Дракониды, обладают сравнительно компактным центральным сгущением с диаметром всего около одного миллиона километров.
Распределение метеоров по массе в потоке также неравномерно. Так, хорошо известно, что на осевой линии потока Персеид находятся наиболее крупные метеорные тела, так что в эпоху максимума относительное количество ярких метеоров заметно повышается. Большое количество крупных метеорных тел, дающих яркие болиды, содержат такие потоки, как Скорпиониды, Тауриды и др.
Зная плотность метеорного вещества в потоках и массу индивидуальных метеорных тел, можно вычислить суммарную массу потока. Для такого потока, как Персеиды, она оказывается равной 10 в 10 степени т., что почти в 10 в 12 степени раз меньше массы Земли. Все потоки, вместе взятые, имеют суммарную массу, вероятно, порядка 10 в -10 степени - 10 в -11 степени массы Земли. Таким образом, метеорное вещество, заключённое в видимых нами потоках, составляет ничтожную часть (около 10 в -16 степени) общей массы Солнечной системы.
Некоторые крупные метеорные потоки имеют орбиты, весьма сходные с орбитами больших комет и, несомненно, тесно с ними связаны. В настоящее время установлена или подозревается взаимосвязь приблизительно 90 комет и соответствующих им метеорных потоков.
Помимо главных метеорных потоков выделяют также дополнительные метеорные потоки и так называемые малые метеорные рои. Количество метеоров, обнаруженных в малых метеорных роях, может составлять несколько единиц и, в общем, они могут рассматриваться как флуктуации спорадического фона.
На рисунке представлены распределения 184 радиантов наиболее крупных метеорных потоков, согласно данным IMO (Международной метеорной организации, http://www.imo.net/calendar/) и DMS (Голландского метеорного общества, http://www.dmsweb.org). Это наиболее достоверные и хорошо изученные радианты на сегодняшний день: для этих потоков известны все параметры, и именно на них ориентируется подавляющее большинство наблюдателей. В ряде случаев наблюдаемые характеристики этих потоков были получены на большом массиве визуальных и телевизионных наблюдений, хотя определение принадлежности наблюдавшихся метеоров к этим потокам имеет несколько субъективно-интуитивный характер. В частности, это касается отнесения существенной части метеоров, не отождествленных с потоками, к спорадическим. Поэтому даже крупные метеорные потоки требуют дополнительной проверки, которая возможна только благодаря круглогодичному мониторингу с нескольких пунктов наблюдений.
Для исследования потока метеороидов через околоземное пространство как с целью пополнения уже накопленных о них сведений, так и для поиска неизвестных прежде метеорных потоков в ИНАСАН проводится круглогодичный телевизионный мониторинг метеорных потоков. Одна из задач этого мониторинга сводится к построению Верифицированного каталога метеорных потоков (ВКМП), включающего в себя как крупные, так и малые метеорные потоки.
Радианты малых метеорных роев, а также радианты спорадических метеоров имеют при внимательном рассмотрении не совсем равномерное распределение по небесной сфере. Для спорадических метеоров существует шесть преимущественных направлений потока метеорного вещества на Землю. Это области, близкие к направлениям на Солнце и противоположное ему (гелийная и антигелийная точки). Два другие направления удалены от плоскости эклиптики на ±60°, а по эклиптической долготе расположены под прямым углом к направлению на Солнце в направлении апекса движения Земли по орбите. Эти компоненты называют северными и южными тороидальными направлениями. Еще два направления расположены симметрично относительно эклиптики на широтах около ±15° в направлении апекса движения Земли.
Спорадические метеоры (единичные) в большинстве случаях наблюдаются вблизи апекса (точки на небесной сфере, куда движется в данный момент Земля).
Численность таких метеоритов возрастает под утро. На вечернюю же область земной поверхности выпадают лишь те частицы, которые сами догоняют Землю (это и есть спорадические метеоры).
Выделяют несколько основных областей направлений потока метеорных тел (малых метеорных роев) на Землю:
- • близкие к направлению на Солнце; скорость этих частиц составляет 20 км/с;
- • противоположные к направлению на Солнце. Этот антисолнеч- ный поток метеорных тел наиболее мощный, он более чем вдвое интенсивнее по сравнению со всеми другими. Скорость этих частиц 20 км/с;
- • два направления близки к полюсам эклиптики. Их обычно называют тороидальной составляющей. Их скорость 20 км/с;
- • два направления расположены симметрично по отношению к плоскости эклиптики на широтах около ±15° навстречу движению Земли (в направлении, перпендикулярном направлению на Солнце). Скорость их соударения с атмосферой Земли равна примерно 60 км/с.
Интересная статья по теме спорадических метеоров: https://spaceismine.org/posts/2015/2015-05-05-are-there-random-meteors/ и еще: http://www.gelios-2002.narod.ru/spo_radiants.htm
Поскольку естественно предположить, что если распределение мелких частиц (массой в доли грамма), по которым были выделены эти шесть направлений, совпадает с распределением более крупных метеороидов (вплоть до метровых и декаметровых), то эти направления могут оказаться наиболее опасными с точки зрения падения крупных небесных тел на Землю. Если это так, то можно говорить о том, что проблема астероидной опасности есть некое подобие пушкинского сказочного «золотого петушка», указывающего направление приближающейся катастрофы. В общем, изучение распределений частиц в метеорных потоках и спорадическом фоне — насущная задача в проблеме астероидно-кометно-метеороидной опасности.
В заключение еще раз подчеркнем, что изучение малых тел Солнечной системы — астероидов, комет, метеороидов — это ключ к пониманию процессов химической, тепловой и динамической эволюции протосолнечной туманности и протопланетного диска, процесса образования планет. С ними связаны процессы миграции вещества в Солнечной системе, в том числе переноса летучих, включая появление воды на Земле, и, возможно, процессов зарождения и распространения жизни. Изучение малых тел, к которым относится Челябинское событие, напрямую связано также с проблемой астероидно-кометной опасности.
P. S. Метеоры — красивое природное зрелище. Но особо впечатляет явление болида!
При проникновении крупного метеороида (свыше 1 м в диаметре) в атмосферу Земли на высоту менее 50 км его полет может сопровождаться различными звуковыми явлениями. Сначала слышен резкий одиночный или многократный звук взрыва, как от ударных волн при переходе самолета на сверхзвуковую скорость. Затем доносится грохочущий звук, очень похожий на раскаты грома. Так как скорость звука в атмосфере конечна, то сначала слышен шум от ближайшей точки траектории болида, а затем от более дальних. Но звук доходит до наблюдателя обычно лишь через несколько минут после пролета метеорного тела. По времени задержки можно оценить расстояние до болида. Однако существуют болиды, которые производят звуки в виде свиста и шипения, слышимые одновременно с видимым полетом тела. Такие болиды с аномальными звуками, распространяющимися со скоростью света, по предложению П. Л. Драверта (1940 г.) были названы электрофонными. Предполагается, что это явление происходит из-за излучения яркими болидами электромагнитной энергии в области очень низких частот.
После пролета ярких метеоров нередко остаются газовые или ионизационные следы в виде серебристо-голубой полоски вдоль траектории полета. Длительность существования такого следа колеблется от нескольких секунд у обычных метеоров до нескольких десятков минут у болидов. Анализ следов показал, что интервал высот образования метеорных следов заключен в пределах 80–95 км. Пылевые метеорные следы образуются после пролетов ярких болидов, сопровождаемых выпадением метеоритов. Они видны благодаря отражению солнечного света и наблюдаются днем или в сумерках. Высоты их образования лежат от 40 км и ниже.
После того как образовался метеорный след, он начинает деформироваться и дрейфовать. Изучение метеорных следов и их дрейфа позволило обнаружить, что на высотах 80–100 км существуют ураганные ветры со скоростями, достигающими 70 м/с. Используя радиолокационные методы, удалось получить суточные и сезонные вариации скорости ветров в метеорной зоне. Обработка многолетних наблюдений показала, что средняя скорость ветров в метеорной зоне зависит от фазы цикла солнечной активности. Например, оказалось, что во время максимума солнечной активности преобладающая скорость ветра на широте 38,5° почти вдвое больше, чем во время минимума.
Всем ясного неба и захватывающих наблюдений метеоров и болидов!
Статью составил главный редактор группы в вк Open Astronomy, Константин Радченко.
Используемая литература:
"Метеоры и их наблюдение" Бабаджанов П. Б.
«Метеоры» В.В. Федынский.
«Метеоры, метеориты, метеороиды» Бронштэн В.А.
«Астероидно-кометная опасность: вчера, сегодня, завтра»