Лаборатория космических исследований

Ульяновская секция Поволжского отделения Российской Академии Космонавтики им. К. Э. Циолковского

Ульяновский Государственный Университет
Почему кометы – свидетели давних событий?

 

 

 

Действительно, почему об исходном газопылевом облаке, из которого образовались планеты, кометы могут «рассказать», а сами планеты не могут?

А потому, что массы этих тел – различны. Например, масса кометы Чурюмова - Герасименко примерно в триллион (1 000 000 000 000) раз меньше массы Земли. (Диаметр ее наибольшего сечения – всего 5 км).

  

Под действием собственной гравитации за время своего существования Земля очень сильно изменилась. Под ударами планетезималий тело Земли сначала разогрелось, затем стало остывать, произошла дифференциация пород, более тяжелые опустились к центру притяжения, под их давлением поднялась температура в ядре Земли до тысяч градусов, в нем произошла ионизация, что в условиях быстрого суточного вращения Земли привело к образованию дипольного магнитного поля и радиационных поясов. В это же время сформировалась земная кора, Земля потеряла первичную атмосферу, богатую водородом и гелием, и приобрела новую, современную.

   В зависимости от собственной массы и под действием различных видов изучения Солнца определились условия и на других ближайших к нему планетах. В более отдаленных, более холодных и более богатых газопылевым веществом областях образовались планеты-гиганты, способные благодаря своей гравитации удержать первичную атмосферу.

   Но не все вещество газопылевого облака ушло на образование планет. Его остатки в виде замерших газов с примесью пыли превратились в астероиды и кометы.

Они не испытывали существенного влияния своих маленьких масс на собственные центры притяжения, их физические свойства не изменялись, как у планет, под действием собственной гравитации. Между астероидами и кометами нет принципиального различия, но, вращающиеся сравнительно недалеко от Солнца астероиды потеряли газовую составляющую.

   Часть газопылевого облака сохранилась в холодных удаленных от Солнца областях Солнечной системы в пространстве между большими планетами. Это – короткопериодические кометы.

   Комета Чурюмова-Герасименко – одна из таких комет. Ее афелий находится между орбитами Юпитера и Сатурна (5,7 а.е.). Двигаясь по эллиптической орбите к Солнцу почти в плоскости эклиптики, она пересекла орбиту Юпитера и сейчас приближается к орбите Марса. Перигелий она пройдет 13 августа 2015 г. на расстоянии 1,3 а.е. от Солнца.

   По данным Европейского космического агентства (октябрь 2014) вокруг ядра кометы Чурюмова-Герасименко образовывалась кома – окружающий ядро слой, состоящий из сублимирующего из ядра водяного пара (несколько литров в секунду!) с примесями окиси углерода, аммиака, ментола, циана и др. При анализе информации, полученной от спускаемого на комету аппарата «Филы» обнаружены молекулы органических соединений.

   Возникает вопрос: что происходило с кометами еще раньше, до того, как они вошли в состав протопланетного облака? В барионной составляющей Вселенной преобладает водород, второй по массе - инертный гелий, а на третьем месте – кислород. На его долю приходится половина массы, включающей все элементы, кроме водорода и гелия. Поэтому самое распространенное в галактиках химическое соединение – вода, водяной лед – основная составляющая комет.

   Известный астроном, сотрудник Астрономического института Московского университета (ГАИШ), Феликс Александрович Цицин (1931-2005) считал описание природы облака Оорта «ошибочным на пути к истине». В своей статье «Происхождение комет: новый взгляд на старую проблему» он писал, что на периферии Солнечной системы, действительно, существует облако кометных тел, но большинство из них туда попало не из внутренних пределов Солнечной системы, а извне, из окружения ближайших звезд. Эта идея получила дальнейшее развитие, в последнее время публикуется много подобных материалов.

   Международная группа ученых из Америки, Канады и Франции, используя компьютерное моделирование, пришла к выводу, что кометное кольцо вокруг Солнечной системы на 90% состоит не из выброшенных из Солнечной системы тел, а из захваченных извне. Миллиарды лет тому назад в одном из газопылевых облаков нашей Галактики происходило образование сотен звезд, в том числе и нашего Солнца. Под действием их притяжения газопылевые комки (кометные тела) двигались, перемешивались, обобществлялись. Первичное облако рассеялось звездным ветром молодых звезд-гигантов, а Солнце, как и другие не очень крупные звезды, не очистило вокруг себя пространство, а наоборот, захватило часть общего вещества в свой протопланетный диск. Наибольшая доля этого вещества пошла на образование крупных тел Солнечной системы, а часть сохранилась до сих пор в виде комет.

   Ученый Мичиганского университета совсем недавно, в сентябре 2014 г., опубликовал статью в журнале Science, в которой оценивается отношение массы дейтерия к массе водорода. Показано, что это отношение в условиях холодного межзвездного пространства больше, чем по расчетам могло образоваться в Солнечной системе. Делается вывод, что гораздо большая доля воды на планетах, их спутниках, кометах и пр. имеет межзвездное происхождение и значительно старше Солнечной системы, а кометы старше Солнца.

Первая мягкая посадка на комету - выдающееся достижение в истории космонавтики. Но на фоне современных политических событий событие прошло практически незамеченным.

Статья RMR_astra, выставленная на сайте Лаборатория космических исследований, заставила совершенно по-новому осознать этот факт. Во-первых, все материалы под именем RMR_astra профессиональны и, что не менее важно, умеют привлечь внимание. А во-вторых, как выяснилось, кометы действительно могут раскрыть тайны мироздания:

Кометы, по сути, являются «машинами времени», так как они несут на себе лёд, который существует еще со времен рождения Солнца.

Солнце - раскалённый огненный шар, а вокруг огромное количество комет, в которых содержится кристаллический лёд, возможно, с некоторой генетической информацией о Вселенной. Как поразительно устроен наш мир.

Уважаемая RMR_astra!

Виктор Михайлович в настоящее время читает курс лекций для магистрантов Самарского аэрокосмического университета. Один из магистрантов Алишер Койшибаев задал вопросы (сначала он прислал их по электронной почте):

Как много уходит веществ (в том числе и газов) с нашей атмосферы? И чем это компенсируется?

Как сильно влияют магнитное поле Солнце и солнечные ветра на Землю?

Возможно ли "передвинуть" Землю на другую орбиту (например если Солнце будет более активное)?

Заранее спасибо!

Виктор Михайлович начал отвечать на лекции и сослался на Ваши материалы на сайте, показав на большом экране "Почему кометы - свидетели давних событий?". 

Алишер - очень любознательный, всегда задаёт вопросы, даже не по теме занятия. График занятий достаточно напряжённый, нет времени на отвлечение от выполнения запланированного курса.

Если это возможно, Вы не могли бы ответить Алишеру на сайте? Мне кажется, что это интересные вопросы. Админ зарегистрирует Алишера на сайте, чтобы Вы видели, для кого Вы подготовите ответы. Фактически это первый реальный отклик на Вашу рубрику Задать вопрос нелегко - ответить ещё труднее. "Всего" три с половиной года прошло, чтобы появился заинтересованный человек с вопросами. 

Рубрику с вопросами снова закрепим на главной странице вверху списков. Несмотря ни на что, набралось свыше 12 500 просмотров и 172 комментария. Такой большой текст будет слишком долго открываться.

Поэтому, будьте добры ответить отдельным материалом. Заранее благодарим.

Первый вопрос Алишера Койшибаева настолько обширен, что ему соответствует целый раздел быстро развивающейся науки «Физика и химия Земли». Поэтому исчерпывающего ответа дать на него невозможно, можно только привести некоторые данные.

"Как много уходит веществ (в том числе и газов) с нашей атмосферы? И чем это компенсируется?"

Из космоса можно наблюдать гало вокруг Земли - внешний слой атмосферы, состоящий из водорода с небольшой примесью гелия. Высота атмосферы достигает 1800 км, но диссипация газа начинается уже с высоты 500 км. Средняя тепловая скорость молекул водорода при температуре 1000 К на этой высоте равна всего 5 км в секунду, а вторая космическая скорость – 10 км/с. Но всегда имеются молекулы, у которых скорость больше средней и даже больше параболической. Такие молекулы покидают Землю.

Более действенный механизм потери газа – гидродинамический отток. Под действием коротковолнового излучения Солнца верхние слои атмосферы Земли нагреваются, расширяются, изменяется их плотность и образуется ударная волна, в которой с большой скоростью выбрасываются целые слои газа (планетный ветер).

Под действием солнечного ветра формируются радиационные пояса и геомагнитный хвост Земли. В него из ионосферы попадают ионы, образуемые в результате диссоциации молекул атмосферы коротковолновым излучением Солнца. Потоки ионов увлекают за собой нейтральные молекулы, создавая газовый хвост Земли.

Его обнаружил советский астрономом Игорь Станиславович Астапович (1908 – 1976) на основании собственных наблюдений противосияния. Он оценил расстояние от поверхности Земли до рассеивающих солнечный свет газов и сделал вывод ,что со стороны, противоположной Солнцу, у Земли есть хвост. Результаты работы изложены в публикации: «Параллакс противосияния (газовый хвост Земли)». Хвост слабо светится над ночной стороной и из-за суточного вращения все время скользит по поверхности Земли.

Всего атмосфера по приблизительным оценкам теряет 3 кг водорода и 50 г гелия в секунду.

    Пополнение газов атмосферы происходит за счет испарения водоемов, вулканических извержений, фотосинтеза и многих реакций с участием атмосферных разрядов и внешней радиации. Основная масса водорода – результат разложения воды: освобождается водород, а кислород в соединении с окисью углерода образует углекислый газ. Еще некоторая доля водорода исходит от вулканических выбросов аммиака, который распадается на азот и водород.

Гелий пополняется в результате распада урана, тория и других радиоактивных элементов. Испущенные альфа-частицы рекомбинируют с двумя электронами, превращаясь в нейтральный гелий. Более тяжелые газы и частицы выбрасываются с Земли мощными действующими вулканами.

 

На второй вопрос

"Как сильно влияют магнитное поле Солнце и солнечные ветра на Землю?"

компетентно и полно отвечает Виктор Михайлович Журавлев в своем спецкурсе для магистрантов СГаУ. Из него Алишер узнает ответ на свой вопрос. На сайте же ответ поневоле будет очень поверхностным.

Третий вопрос – конкретный.

"Возможно ли "передвинуть" Землю на другую орбиту (например, если Солнце будет более активное)?"

Сдвинуть Землю можно. Это не противоречит законам физики. Интересно посчитать, сколько потребуется энергии, чтобы «поднять» Землю в поле тяготения Солнца на «безопасную» высоту, учитывая, что в стадии гиганта Солнце может расшириться за пределы орбиты Юпитера. Если человечество сохранится в течение примерно 10 миллиардов лет, отделяющих нас от этого события, то, наверно, сможет.

Спасибо за полные ответы! То есть в год мы теряем примерно 110 376 000кг водорода и гелия, а за три года (с 2010 по 2013 гг.) было всего семь извержений вулканов, а испарение с мирового океана примерно 3,5*10^14кг, следовательно, можно сделать вывод, что основное пополнение атмосферы идет с мирового океана. Но меня также интересует, как на атмосферу влияют (или влияют ли вообще) метеориты? В одном из источников я нашел, что в год на Землю падают примерно 2000 тонн, они сгорают, превращаются в газ (вероятней всего в тяжелый) и располагаются на нижних слоях атмосферы, отсюда  я могу сделать два вывода.

Высота всей атмосферы увеличивается или высота остается той же, но вытесняются верхние слои и получается так, что легкие газы не просто выбрасываются из-за ударной волны, но и "вытесняются".

Все значения взяты приблизительно. И прошу подправить меня, если я где-либо ошибся.

Заранее благодарю за ответ!

    Уважаемый Алишер Койшибаев, Ваши комментарии и вопросы свидетельствуют о Ваших способностях анализировать и делать выводы. Чтобы реально использовать эти возможности, Вам придется много трудиться. Желаю успехов!

   Вы интересуетесь влиянием метеоритов на нашу атмосферу. Вы правы, что на поверхность Земли ежегодно выпадают десятки тысяч тонн метеорного вещества. В основном – пыль. Метеориты состоят из тех же химических элементов, что и земные породы, поэтому многие из них остаются неопознанными. Те метеориты, которые удалось исследовать, имеют оплавленную поверхность, своеобразные структуру, кристаллическую решетку и изотопный состав. Они участвуют в тех же химических процессах, что и земные породы. Температура земной поверхности недостаточна для полного превращения тяжелых элементов, входящих в состав твердых метеоритов, в газ. Влияние землян на окружающую среду намного опаснее.

Метеорит "Ульяновск". Индивидуальный экземпляр каменного метеорита "Ульяновск" был найден 24 мая 2006 г. жителем г. Ульяновска на территории Заволжского района города. Общая масса находки составила 4680 гр.

  Знаменитый летчик и писатель Антуан де Сент Экзюпери однажды попал на высокогорное плато, на котором никогда не было людей, но было разбросано много метеоритов, тишина… и близость космоса.

  На нашу атмосферу больше влияют микрометеориты размерами от одного миллиметра до десятитысячной доли миллиметра. Они врезаются в атмосферу со скоростями в десятки км в секунду (в зависимости от угла пересечения их орбиты с орбитой земли) и сгорают, на пути ионизуя атомы и молекулы воздуха и оставляя следы тех тяжелых элементов, из которых они состоят. Это довольно важный фактор, влияющий на химический состав атмосферы, но он не имеет первостепенного значения.

Подробнее можно почитать, например, в http://galspace.spb.ru/index391.html.

Метеорит "Ульяновск". Индивидуальный экземпляр каменного метеорита "Ульяновск" был найден 24 мая 2006 г. жителем г. Ульяновска на территории Заволжского района города. Общая масса находки составила 4860 грамм.

Странно, что такой факт остался незамеченным в СМИ Ульяновска. Комментарий RMR_astra привлёк внимание к этой информации, сразу появилось много вопросов.