МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА ФИЗИКИ
Реферат
по курсу «Концепция современного естествознания»
на тему:
«Астероиды».
Выполнили:
Группа:
Руководитель: Мосин Ю. В.
Орёл, 2001 г.
Содержание.
Введение........................................................................................... 3
Астероиды вблизи Земли.............................................................. 4
Движение астероидов.................................................................... 5
Температура астероидов............................................................... 9
Состав астероидного вещества.................................................. 11
Формирование астероидов......................................................... 12
Заключение.................................................................................... 15
Литература..................................................................................... 16
Введение
О том, что в Солнечной системе между орбитами Марса и Юпитера движутся многочисленные мелкие тела, самые крупные из которых по сравнению с планетами всего лишь каменные глыбы, узнали менее 200 лет назад. Их открытие явилось закономерным шагом на пути познания окружающего нас мира. Путь этот не был легким и прямолинейным.
Кто в эпоху открытия первых астероидов мог предположить, что эти малые тела Солнечной системы, тела, о которых еще недавно нередко говорили с оттенком пренебрежения, станут объектом внимания специалистов самых различных областей: естествознания, космогонии, астрофизики, небесной механики, физики, химии, геологии, минералогии, газовой динамики и аэромеханики? Тогда до этого было еще очень далеко. Еще предстояло осознать, что стоит лишь наклониться, чтобы поднять с земли кусочек астероида - метеорит. Наука о метеоритах - метеоритика - зародилась в начала XIX века, когда были открыты и их родительские тела - астероиды. Но в дальнейшем она развивалась совершенно независимо. Метеориты изучались геологами, металлургами и минералогами, астероиды - астрономами, преимущественно небесными механиками.
Трудно привести другой пример столь абсурдной ситуации: две разные науки исследуют одни и те же объекты, а между ними практически не возникает никаких точек соприкосновения, не происходит обмена достижениями. Это отнюдь не способствует осмыслению получаемых результатов. Но сделать ничего нельзя, и так все и остается, пока новые методы исследований - экспериментальные и теоретические - не поднимут уровень исследований настолько, что создадут реальную основу для слияния обеих наук в одну.
Это произошло в начале 70-х годов XX в., и мы стали свидетелями нового качественного скачка в познании астероидов. Скачок этот произошел не без помощи космонавтики, хотя космические аппараты еще не опускались на астероиды и еще не получено даже космического снимка хотя бы одного из них. Это - дело будущего, по-видимому, уже недалекого. А пока перед нами встают новые вопросы и ждут своего решения.
Астероиды вблизи Земли
Почти 3/4 века люди не подозревали, что не все астероиды движутся между орбитами Марса и Юпитера. Но вот ранним утром 14 июня 1873 г. Джеймс Уотсон на обсерватории Энн Арбор (США) открыл астероид «Аэрта». За этим объектом удалось следить всего три недели, а потом его потеряли. Однако результаты определения орбиты, хотя и неточной, убедительно свидетельствовали, что Аэрта движется внутри орбиты Марса.
Астероиды, которые бы приближались к орбите Земли, оставались неизвестны до конца XIX века. Теперь их число превышает 80.
Первый астероид вблизи Земли был открыт только 13 августа 1898 г. В этот день Густав Витт на обсерватории Урания в Берлине обнаружил слабый объект, быстро перемещающийся среди звезд. Большая скорость свидетельствовала о его необычайной близости к Земле, а слабый блеск близкого предмета - об исключительно малых размерах. Это был Эрос, первый астероид-малютка поперечником менее 25 км. В год его открытия он прошел на расстоянии 22 млн. км от Земли. Его орбита оказалась не похожа ни на одну до сих пор известную.
Далее были открыты астероиды Альберт, Алинда, Ганнимед, Ивар, Амур, которые проходили по астрономическим меркам очень близко от Земли.
Движение астероидов
Все открытые до сих пор астероиды обладают прямым движением: они движутся вокруг Солнца в ту же сторону, что и большие планеты. У подавляющего большинства астероидов орбиты не сильно отличаются друг от друга: они слабо эксцентричны и имеют малый или умеренный наклон. Поэтому почти все астероиды движутся, оставаясь в пределах тороидального кольца. Границы кольца несколько условны: пространственная плотность астероидов (число астероидов в единице объема) падает по мере удаления от центральной части. У немногих астероидов из-за значительного эксцентриситета и наклона орбиты петля, выходит за пределы этой области или даже целиком лежит вне неё. Поэтому астероиды встречаются и вдали за пределами кольца.
Объем пространства, занятого кольцом-тором, где движется 98% всех астероидов, огромен - около 1,61026
км3
. Для сравнения укажем, что объем Земли составляет всего 1012 км3
.
Если быть совсем строгими, то нужно сказать, что путь астероида в пространстве представляет собой не эллипсы, а незамкнутые квазиэллиптические витки, укладывающиеся рядом друг с другом. Лишь изредка - при сближении с планетой - витки заметно отклоняются один от другого. Планеты возмущают, конечно, движение не только астероидов, но и друг друга. Однако возмущения, испытываемые самими планетами, малы и не меняют структуры Солнечной системы. Они не могут привести к столкновению планет друг с другом. С астероидами дело обстоит иначе. Астероиды отклоняются со своего пути то в одну, то в другую сторону. Чем дальше, тем больше становятся эти отклонения: ведь планеты непрерывно "тянут" астероид, каждая к себе, но сильнее всех Юпитер. Наблюдения астероидов охватывают еще слишком малые промежутки времени, чтобы можно было выя-
вить существенные изменения орбит большинства астероидов, за исключением отдельных редких случаев. Поэтому наши представления об эволюции их орбит основаны на теоретических соображениях. Коротко они сводятся к следующему.
Орбита каждого астероида колеблется около своего среднего положения, затрачивая на каждое колебание несколько десятков или сотен лет. Синхронно меняются с небольшой амплитудой ее полуось, эксцентриситет и наклон. Перигелий и афелий то приближаются к Солнцу, то удаляются от него. Эти колебания включаются как составная часть в колебания большего периода - тысячи или десятки тысяч лет. Они имеют несколько другой характер. Большая полуось не испытывает дополнительных изменений. Зато амплитуды колебаний эксцентриситета и наклона могут быть намного больше. При таких масштабах времени можно уже не рассматривать мгновенных положений планет на орбитах: как в ускоренном фильме астероид и планета оказываются как бы размазанными по своим орбитам. Становится целесообразным рассматривать их как гравитирующие кольца. Наклон астероидного кольца к плоскости эклиптики, где находятся планетные кольца - источник возмущающих сил, - приводит к тому, что астероидное кольцо ведет себя подобно волчку. Только картина оказывается более сложной, потому что орбита астероида не является жесткой и ее форма меняется с течением времени.
Планетные возмущения приводят к непрерывному перемешиванию орбит астероидов, а стало быть, и к перемешиванию движущихся по ним объектов. Это делает возможным столкновения астероидов друг
с другом. За минувшие 4,5 млрд. лет, с тех пор как существуют астероиды, они испытали много столкновений друг с другом. Наклоны и эксцентриситеты орбит приводят к непараллельности их взаимных движений, и скорость, с которой астероиды проносятся один мимо другого, в среднем составляет около 5 км/с. Столкновения с такими скоростями ведут к разрушению тел.
Форма и вращение астероидов
Астероиды так малы, что сила тяжести на них ничтожна. Она не в состоянии придать им форму шара, какую придает планетам и их большим спутникам, сминая и утрамбовывая их вещество. Большую роль при этом играет явление текучести. Высокие горы на Земле у подошвы "расползаются", так как прочность пород оказывается недостаточной для того, чтобы выдержать нагрузки во многие тонны на 1 см3
, и камень, не дробясь, не раскалываясь, течет, хотя и очень медленно.
На астероидах поперечником до 300-400 км из-за малого веса подобное явление текучести вовсе отсутствует, а на самых крупных
астероидах оно происходит чрезвычайно медленно, да и то лишь в их недрах. Поэтому "утрамбованы" силой тяжести могут быть лишь глубокие недра немногих крупных астероидов. Если вещество астероидов не проходило стадии плавления, то оно должно было остаться "плохо упакованным", примерно, каким возникло на стадии аккумуляции в протопланетном облаке. Только столкновения тел друг с другом могли привести к тому, что
вещество постепенно уминалось, становясь менее рыхлым. Впрочем, новые столкновения должны были дробить спрессованное вещество.
Малая сила тяжести позволяет разбитым астероидам существовать в виде агрегатов, состоящих из отдельных блоков, удерживающихся друг около друга силами тяготения, но не сливающихся друг с другом. По той же причине не сливаются с ними и опустившиеся на поверхность астероидов их спутники. Луна и Земля, соприкоснувшись друг с другом, слились бы, как сливаются (хотя и по другой причине) соприкоснувшиеся капли, и через некоторое время получилось бы одно, тоже шарообразное тело, по форме которого нельзя было бы догадаться, из чего оно получилось.
Впрочем, все планеты Солнечной системы на заключительном этапе формирования вбирали в себя довольно крупные тела, не сумевшие превратиться в самостоятельные планеты или спутники. Теперь их следов уже нет.
Лишь самые к
Неправильная форма астероидов подтверждается и тем, что их блеск необычайно быстро падает с ростом фазового угла. У Луны и Меркурия аналогичное уменьшение блеска вполне объясняется только уменьшением видимой с Земли доли освещенной Солнцем поверхности: тени гор и впадин оказывают слабое влияние на общий блеск. Иначе обстоит дело с астероидами. Одним лишь изменением освещенной Солнцем доли поверхности астероида столь быстрое изменение их блеска, которое наблюдается, объяснить нельзя. Основная причина (особенно у астероидов малых размеров) такого характера изменения блеска заключается в их неправильной форме и крайней степени “изрытости”, из-за чего на освещенной Солнцем стороне одни участки поверхности экранируют другие от солнечных лучей.
Температура астероидов
Астероиды - насквозь холодные, безжизненные тела. В далеком прошлом их недра могли быть теплыми и даже горячими за счет радиоактивных или каких-то иных источников тепла. С тех пор они уже давно остыли. Впрочем, внутренний жар никогда не согревал поверхности: поток
тепла из недр был неощутимо мал. Поверхностные слои оставались холодными, и лишь столкновения время от времени вызывали кратковременный локальный разогрев.
Единственным постоянным источником тепла для астероидов остается Солнце, далекое и поэтому греющее очень плохо. Нагретый астероид излучает в космическое пространство тепловую энергию, причем тем интенсивнее, чем сильнее он нагрет. Потери покрываются поглощаемой частью солнечной энергии, падающей на астероид.
Если усреднить температуру по всей освещенной поверхности, получим, что у астероидов сферической формы средняя температура освещенной поверхности в 1,2 раза ниже, чем температура в подсолнечной точке.
Из-за вращения астероидов температура их поверхности быстро
меняется. Нагретые Солнцем участки поверхности быстро остывают из-за низкой теплоемкости и малой теплопроводности слагающего их вещества. В результате по поверхности астероида бежит тепловая волна. Она быстро затухает с глубиной, не проникая в глубину даже на несколько десятков сантиметров. Глубже температура вещества оказывается практически постоянной, такой же, как в недрах астероида - на несколько десятков градусов ниже средней температуры освещенной Солнцем поверхности. У тел, движущихся в кольце астероидов, ее грубо можно принять равной 100-150 К.
Как ни мала тепловая инерция поверхностных слоев астероида, все же, если быть совсем строгими, то следует сказать, что температура не успевает принимать равновесного значения с изменением условий освещения. Утренняя сторона, не успевая согреваться, всегда чуть-чуть холоднее, чем следовало бы, а вечерняя сторона оказывается чуть-чуть теплее, не успевая остывать. Относительно подсолнечной точки возникает легкая асимметрия в распределении температур.
Максимум теплового излучения астероидов лежит в области длин волн порядка 20 мкм. Поэтому их инфракрасные спектры должны выглядеть как непрерывное излучение с интенсивностью, монотонно убывающей в обе стороны от максимума. Это подтверждается наблюдениями, проведенными О. Хансеном в диапазоне 8-20 мкм. Однако, когда Хансен попытался на основании этих наблюдений определить
температуру астероидов, она оказалась выше расчетной (около 240К), и причина этого до сих пор не ясна.
Низкая температура тел, движущихся в кольце астероидов, означает, что диффузия в астероидном веществе "заморожена". Атомы не способны покидать свои места. Их взаимное расположение сохраняется неизменным на протяжении миллиардов лет. Изоляция способна вызвать к жизни диффузию только у тех астероидов, которые сильно приближаются к Солнцу, но лишь в поверхностных слоях и на короткое время.
Состав астероидного вещества.
Метеориты крайне разнообразны, как разнообразны и их родительские тела - астероиды. В то же время их минеральный состав очень скуден. Метеориты состоят, в основном, из железо-магниевых силикатов. Они присутствуют в виде мелких кристалликов или в виде стекла, обычно частично перекристаллизованного. Другой основной компонент - никелистое железо, которое представляет собой твердый раствор никеля в железе, и, как в любом растворе, содержание никеля в железе бывает различно - от 6-7% до 30-50%. Изредка встречается и безникелистое железо. Иногда в значительных количествах присутствуют сульфиды железа. Прочие же минералы находятся в малых количествах. Удалось выявить всего около 150 минералов, и, хотя даже теперь открывают все новые и новые, ясно, что число
минералов метеоритов очень мало по сравнению с обилием их в горных породах Земли, где их выявлено более 1000. Это свидетельствует о примитивном, неразвитом характере метеоритного вещества. Многие минералы присутствуют не во всех метеоритах, а лишь в некоторых из них.
Наиболее распространены среди метеоритов хондриты. Это каменные метеориты от светло-серой до очень темной окраски с удивительной структурой: они содержат округлые зерна - хондры, иногда хорошо видимые на поверхности разлома и легко выкрашивающиеся из метеорита. Размеры хондр различны - от микроскопических до сантиметровых. Они занимают значительный объем метеорита, иногда до половины его, и слабо сцементированы межхондровым веществом - матрицей. Состав матрицы обычно идентичен с составом хондр, а иногда и отличается от него. По поводу происхождения хондр существует много гипотез, но все они спорные.
Формирование астероидов
В период формирования Солнца условия не были, конечно, одинаковыми на разных расстояниях от Солнца и менялись с течением времени. Вещество оставалось холодным только вдали от Солнца. Вблизи него было сильно прогрето и пыль подвергалась полному или частичному испарению. Лишь позднее, когда газ остыл, она сконденсировалась снова, но большая часть летучих веществ, содержащихся в межзвездных пылинках, оказалась потеряна и в новую пыль уже не вошла. Эволюция протопланетного диска привела к формированию в нем планетезималей, из которых потом выросли планеты. Состав планетезималей, формировавшихся на разных гелиоцентрических расстояниях, из-за разного состава пыли, пошедшей на их постройку, был различным.
Так уж случилось, что астероиды - это планетезимали, сформировавшиеся на границе горячей и холодной зоны протопланетного диска, сохранившиеся до наших дней.
Астероиды формировались в протопланетном облаке как рыхлые агрегаты. Малая сила тяжести не могла спрессовать сгустившиеся из пыли планетезимали. За счет радиоактивного тепла они разогревались. Этот разогрев, как показали расчеты Дж. Вуда, шел весьма эффективно: ведь рыхлые тела хорошо удерживают тепло. Разогрев начался еще на стадии роста астероидов. Их вещество в центральных частях грелось, спекалось,
и, может быть, даже плавилось, а на поверхности астероидов все еще продолжала высыпаться пыль, пополняя рыхлый, теплоизолирующий слой. Основным источником разогрева сейчас принято считать алюминий-26.
Столкновения астероидов между собой на первых порах тоже вели к уплотнению их вещества. Астероиды становились компактными телами. Но в дальнейшем возмущения от выросших планет привели к росту скоростей, с которыми происходили столкновения. В результате уже более или менее компактные тела были разбиты. Столкновения повторялись неоднократно, дробя, встряхивая, перемешивая, сваривая обломки, и снова дробя. Вот
почему современные астероиды представляют собой, скорее всего, плохо “упакованные” глыбы.
К земной орбите мелкие астероидные обломки, поступают, конечно, из кольца астероидов. Это происходит благодаря еще не вполне ясному в деталях механизму последовательной резонансной раскачки орбит под действием планетных возмущений. Но раскачка происходит лишь в некоторых зонах кольца. Астероиды из разных мест кольца поступают неодинаково эффективно, и обломки в окрестностях земной орбиты могут вовсе не быть представителями тех объектов, которые движутся за орбитой Марса.
А в земной атмосфере выживают только самые медленные и самые прочные из них, что приводит к дальнейшему отбору. Поэтому в наших коллекциях, несомненно, отсутствуют многие разновидности астероидного вещества, и, возможно, что представление об астероидном веществе, как о веществе плотном и компактном, не что иное, как устаревшее, навеянное метеоритами заблуждение.
Заключение
Как бы ни были велики успехи изучения астероидов сегодня, будущее принадлежит, вероятно, исследованиям с помощью космических аппаратов. Они могут снять многочисленные трудности, стоящие перед исследователями, но, можно не сомневаться, поставят перед ними и новые проблемы.
В настоящее время много внимания в обществе уделяется проблеме возможного столкновения астероидов различного размера с Землёй, необходимости построения глобальной системы слежения и оповещения об опасных астероидах, методах противодействия столкновениям. Действительно, удар о Землю астероида достаточно большого размера и массы вполне может привести к исчезновению человеческой цивилизации и природы в нынешнем её состоянии. Но вероятность такого столкновения, к счастью, очень мала.
Литература.
1. Дагаев М. М., Чаругин В. М. Астрофизика. - М.: Просвещение, 1988.
2. Кабардин О.Ф. Физика. – М.: Просвещение, 1988.
3. Рябов Ю. А. Движение небесных тел. – М.: Наука, 1988.
4. Симоненко А. Н. Астероиды или тернистые пути исследований. – М.: Наука, 1985.