ВВЕДЕНИЕ
Изучение взаимосвязи процессов свечения и ионизации в метерных следах и определение таких физических характеристик; как масса и плотность относятся к важнейшим задачам физики метеорных явлений. Данные о кривых ионизации, массах и плотностях, необходимы не только для изучения структуры, возраста, происхождения и эволюции метеорных тел, но и для изучения законов их распределения по массам, оценки притока метеорного вещества на Землю, определения плотности падающего потока метеоров и т.д. Физические характеристики метеороидов, наряду с радиантами и скоростями, необходимы для космонавтики, космогонии Солнечной системыи решения ряда других прикладных и теоретических задач.
Один из основных методов изучения физических характеристик метеороидов основан на данных, получаемых из радиолокационных наблюдений. Благодаря применению радиолокационного метода в изучении метеорного вещества были достигнуты существенные результаты получены экспериментальнью ионизационные кривые слабых метеоров от + 6м до + 13м и определены их массы и плотности [162,163,165], начато изучение ионизационных кривых относительно ярких метеоров в Душанбе [48], определены сотни тысяч координат радиантов, скоростей и элементов орбит метеоров по результатам радиолокационных наблюдений в 60 - 70 гг., составлены каталоги радиометеоров по результатам этих измерений [53,60,151- 153], открыто несколько сотен новых метеорных потоков и ассоциаций и изучена структура некоторых главных метеорных потоков.
Однако форма индивидуальных ионизационньк кривых в случае слабых метеоров была задана в виде подходящей параболы, а при оценке линейной электронной плотности в случае ярких метеоров пренебрегалось влиянием некоторых видов деионизации, что приводит к искусственному занижению "яркости" радиометеоров. Кроме того, при определение массы
игпюшосли не всегда учитывалось влилние дробления и других факторов, что искажает конечные результаты Что касается физических характеристик метеороидов в малых потоках и ассоциациях, то они вообще радиометодом неизучены
ЬЬкопжяные результаты радиолокационных наблюдений метеоров в Душанбе позволяют существенным образом дополнить данные о метеорных потоках и ассоциациях, Цэежде весего это связано с тем что данные, полученные в Душанбе отличаются от аналогичных данных других станции. Эти различия заключаются в следующем:
1. Душанбинские данные относятся к метеорам ярчее +5 звездной величины, в то время как в Гарварде, Обнинске, Харькове и Казани получена информации о более слабых метеорах (+6.5М-+13М ).
2 На других станциях скорость метеора определялась только дифракционным методом. Нэ дифракционные картины, как известно, образуют только часть метеоров, что приводит к потере ценной информации. ГЪленгационно - временной радиометод [108], примененный в Душанбе, позволяет исключить этот недостаток
3. В данной работе наряду с кинематическими характеристиками впервые приводятся физические параметры метеороидов потоков и ассоциации, в частности, массы и плотности частиц.
4. Географическое положение Душанбе способствует изучению метеорных потоков и ассоциаций с более южными радиантами, которые не доступны некоторым другим станциям.
Точность измерения физических характеристик метеороидов при радионаблюдениях в целом несколько ниже. Так, при базисных наблюдениях в лучшем случае мы получаем лишь отрезок ионизационных кривых. Как известно, радиолокационные наблюдения в некоторых станциях проводились на коротких базах или только с одного пункта, что недостаточно для получения ионизационных кривых Следовательно, интерпретация таких видов наблюдений требует разработки специального метода, применимого к
, таким наблюдениям, а для повышения их точности и надежности необходима
калибровка результатов радионаблюдений по данным фотографических и телевизионных наблюдений, которые имеют высокую точность.
Цели и задачи настоящей работы.
' Ф 1. ГЬлучить ионизационные кривые метеоров ярче +5 звездной
1 величины на основании результатов базисных радиолокационных наблюдений
| метеоров из нескольких пунктов, произвести классификацию наблюдаемых
', форм ионизационных кривых
| 2 Обработать данные параллельных радио - телевизионных наблюдений
i
метеоров потоков с различными скоростями, определить высоты метеоров, кривые блеска в абсолютных единицах, кривые ионизации и основные характеристики точки зеркального отражения, такие как высоты, длительность радиоотражения и абсолютная звездная величина Исследовать , it зависимость между длительностью радиоотражения и абсолютной
фотографической звездной величиной для различных групп метеоров по скоростям, изучить изменения линейной электронной плотности и интенсивности свечения вдоль следа одних и тех же метеоров и получить зависимость отношения этих параметров от скорости.
3. Сопоставить массы одних и тех же метеоров по данным параллельных i оптических и радиолокационных наблюдений и уточнить шкалу масс
^ радиометеоров.
4. Разработать методику определения масс и плотностей метеороидов по | результатам радиолокационных наблюдений с одного пункта
5. Выявить метеороиды, принадлежащие потокам и ассоциациям по циклу годичных радиолокационных наблюдений в Душанбе и для них составить каталог радиантов, скоростей, масс и плотностей. Ихледовать физические характеристики метеороидов в потоках - близнецах.
Научная новизна работы:
1. Fh основании результатов радиолокационных наблюдений метеоров в Душанбе из 4 - 5 пунктов получены ионизационные кривые около тысячи радиометеоров ярче +5 звездной величины, 400-из которых содержат область максимума ионизации наряду с восходящими и нисходящими частями. В результате анализа форм ионизационных кривых выявлены 5 групп метеоров.
2 ГЬ параллельным радио - телевизионным наблюдениям в Таджикистан регистрированы 57 метеоров. На основании этих данных и данных параллельных фото- радиолокационных наблюдений исследоваг ia связь между абсолютной фотофафмческой звездной величиной и длительностью радиоотражения для трех групп метеоров: вьюокоскоростных, среднескоростных и, впервые, для случая низкоскоростных метеоров.
3. йтервые, как на основании результатов параллельных наблюдений, так и данных лабораторного моделирования процессов свечения и ионизации, показано, что отношение интенсивности свечения к линейной электронной плотности не постоянна, как это считалось ранее, а в диапазоне метеорных скоростей от 16 до 69 км/с уменьшается на порядок.
4. Ра:*работана полуэлширическая методика определения масс и гаютностей метеороидов с учетом факторов, влияющих на форму ионизационных кривых при радиолокационньк наблюдениях с одного пункта
5. Впервые составлен каталог метеорных потоков и ассоциаций по данным радионаблюдений, где наряду с радиантами и скоростями получены средние массы и шютности для потоков и асдоциаций.
Научно-практическое значение работы.
ГЬлученные ионизационные кривые, данные о совместных радиотелевюшонных наблюдениях метеоров и Нсвденнью связи между оптическими и радиолокационными параметрами, а также результаты радиолюкационных измерений скоростей, радиантов, масс и плотностей
метеороидов потоков и ассоциаций представляют собой ценнейший материал не только для метеорной физики, но и геофизики, космонавтики и космогонии Солнечной системы
Апробация работы.
V
Основные результаты работы докладывались на Всесоюзном
симпозиуме "Метеорные тела в межпланетном пространстве и земной атмосфере" (Россия, г. Казань, 1980), Всесоюзных конференциях "Физика и динамика малых тел Солнечной системы" (Таджикистан, г. Душанбе, 1982 г.), "Метеорное вещество в атмосфере Земли и межпланетном пространстве" (Россия, г. Суздаль, 1984 г.), "Взаимодействие метеорного вещества с атмосферой Земли" (Украина, г. Кацивели, 1986 г.), "Физика и динамика комет, астероидов и метеорного вещества " (г. Душанбе, 1987 г.), на Международном Симпозиуме ГЛОБМЕГ - 2 (Россия, г. Казань, 1988 г.), на Всесоюзной конференции "Методы исследования движения, физика и динамика комет, астероидов и метеоров" (Таджикистан, г. Душанбе, 1989 г.), на конференциях молодых ученых АН Таджикистана в 1980 - 85 гг., на семинарах метеорного отдела Института астрофизики АН Таджикистана
Публикации.
ГЬ теме диссертации опубликовано 14 работ. В совместных работах
вклад автора выражается в проведении наблюдений метеорных потоков и
^' спорадических метеоров, в выявлении совместных метеоров, в сборе,
обработке и интерпретации полученных данных, составлении и отладке
программ, проведении вычислений на ЭВМ и оформлении статей к печати.
Объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и содержит: 88 - страниц машинописного текста, 17 рисунков, 12
Г/
таблиц и список литературы из 169 названий.
Содержание работы.
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определена ее цель, сформулирована новизна полученных результатов и область их применения.
Первая глава содержит основные уравнения, описывающие процессы,
4j* сопровождающие полет метеорного тела в земной атмосфере. Здесь также
приводится зависимость некоторых характеристик радиоэхо, таких, как
мощность отражения радиоволн и длительность радиоотражения от
параметров аппаратуры и метеорного следа
Вторая глава состоит из 4-х параграфов. В первом параграфе дан обзор работ, посвященных изучению наблюдаемых кривых ионизации метеоров, основные характеристики комплекса радиолока-ционной аппаратуры, созданной в радио - телевизионной лаборатории РЬститута астрофизики АН Таджикистана и приводится точность измеряемых ^ параметров с данным комплексом.
Во втором параграфе второй главы дана краткая характеристика методов получения кривых ионизации, таких, как стзтасяический, комплексный и многостанционный, их область применения, преимущества и их недостатки.
В третьем параграфе второй главы получено исходное выражение, позволяющее для случая насышенных следов, наблюдаемых в дневное и ночное время, определить величину линейной электронной плотности в точке зеркального отражения с учетом процессов деионизации (прилипание, фотоотлипание, турбулентной диффузии).
В четвертом параграфе второй главы приводятся результаты радиолокационных наблюдений метеоров с 4-х, 5-ти пунктов, методика обработки наблюдательного материала, способы определения скоростей, координат отражающих точек, радиантов, высот и вычисления линейной электронной плотности отражающих точек на следе метеора На основании ' У' измеренных высот и линейной электронной плотности для каждого метеора
10
построен наблюдаемый отрезок ионизационной кривой метеора, которая имеет самые разнообразные формы: Цэоизведен анализ наблюдаемых форм отрезков ионизационных кривых, в результате которого выявлены 5 групп: а) отрезки, охватывающие только восходящие участки кривой, б) отрезки, охватывающие восходящие участки и часть области максимума ионизации, в) отрезки, охватывающие область максимума ионизации наряду с восходящими и нисходящими участками, г) отрезки, охватывающие область максимума ионизации наряду с нисходящей ветвью кривой
ионизациии, д) отрезки, охватывающие только нисходящие ветви метеорного следа.
Изтользуя отрезки типа (в) восстановлены наблюдаемые формы ионизационных кривых метеоров, путем экстраполяции нисходящих и восходящих ветвей до нулевого уровня. Выявлены 5 групп ионизаци-онных кривых метеоров по форме распределения линейной электронной плотности ** вдоль следов. ГЪрвым трем группам метеоров свойственно более плавное
изменение линейной электронной плотности, а к последним двум группам отнесены вспышечные метеоры Средняя длина следов вспышечных метеоров несколько короче и составляет 5.2 + 5.9 км на высотном разрезе, а у кривых первых трех групп составляет соответственно 7 и 7.9 км.
В первом параграфе третьей главы приведен обзор работ, посвященных
состоянию исследования физики метеоров по результатам параллельных
оптических (визуальных, фотографических и телевизионных) и
V радиолокационных наблюдений одних и тех же метеоров, цель и задачи
организации параллельных радиотелевизионных наблюдений в Душанбе.
Во втором параграфе третьей главы даны основные характеристики телевизионной аппаратуры, методика проведения совместных наблюдений.
В третьем параграфе третьей главы изложены основные критерии поиска и отбора совместных радио - телевизионных метеоров, данные об их
параметрах, определяемых при совместных наблюдениях У/
В четвертом параграфе третьей главы рассмотрен способ
11
фотометрирования телевизионных снимков и методы учета необходимых поправок при определении абсолютной звездной величины метеора Здесь приведены основные параметры 57 совместных метеоров, таких, как дата и время пролета, координаты радиантов, скорости, высоты начала, максимума и конца следа и основные характеристики точки зеркального отражения и принадлежность метеора к потокам.
Впятом параграфе третьей главы даны результаты исследований связи между длительностью радиоотражения и абсолютной фотографической звездной величиной для трех групп метеоров по скоростям: а) низкоскоростных, б) среднескоростных и в) высокоскоростных.
В шестом параграфе третьей главы приводятся результаты сопоставления кривых свечения и ионизации одних и тех же метеоров по результатам параллельных радио - телевизионных наблюдений в Душанбе и Смитсонианской астрофизической обсерватории (США), ГЪлучен, что ход кривых свечения и ионизации вдоль следов метеоров согласуются, но разбросы между кривыми по звездной величине неоднозначны и зависят от скорости.
В седьмом параграфе третьей главы даны результаты исследования отношения интенсивности свечения к линейной электронной плотности в зависимости от скорости по результатам параллельных наблюдений и данных лабораторного моделирования процессов свечения и ионизации. ГЬказано, что отношение этих параметров зависит не только от скорости, но и от "!>' химсостава Последнее четко прослеживается по данным лабораторного
моделирования.
В первом параграфе четвертой главы дан обзор методов определения масс метеороидов по ионизационным кривым, их недостатки и преимущества В втором параграфе четвертой главы приведены результаты вычисления масс одних и тех же метеоров по данным параллельных наблюдений.
ГЬказано, что наилучшее согласие наблюдается при использовании шкалы У/
радиолокационных масс (зависимость Р от V), найденной нами по
12
результатам комбинированных наблюдений в диапазоне скоростей от 16 до 62 км/с. Пользуясь этой шкалой вычислены массы одних и тех же 630 метеороидов как по величине линейной электронной плотности в точке максимума ионизации, так и по кривым ионизации. Установлено, что средние значения масс, вычисленных первым способом, в 3 раза больше, чем вычисленные вторым способом. Это различие обусловлено влиянием дробления, переменностью коэффициента формы и др. при выводе формулы для вычисления масс в первом способе.
В третьем параграфе четвертой главы излагаются методы определения плотности метеорных тел радиометодом. ГЬказано, что по радионаблюдениям плотность метеороидов наиболее уверенно можно определить по высоте максимума ионизации. Цэи определении плотности метеорных тел учитывалось влияние дробления и других факторов.
В четвертом разделе четвертой главы исследуются месторасположения высоты точки зеркального отражения относительно высоты максимума ионизации. Цэедложен способ определения массы и плотности метеороидов с учетом факторов, влияющих на кривые ионизации при радиолокационных наблюдениях с одного пункта
В пятом параграфе четвертой главы приведены результаты определения масс и плотносгей мегеороидов в известных метеорных потоках, таких как Квалрантиды, а - Каприкорниды, северные и южные i-Аквариды, северные и южные 8 -Аквариды, северные и южные Тауриды, г\ - Акваридыи Геминиды Здесь также приведены результаты определения радиантов и скоростей метеороидов в малых потоках и ассоциациях за цикл годичных радиолокационньк наблюдений в 1968 - 69 гг. в Душанбе, часть которых выявлена впервые. Для данных потоков и ассоциаций впервые приведены массы и плотности их метеороидов. ЕЬказано, что плотность метеороидов с одинаковыми массами в разных потоках и ассоциациях отличаются более чем на порядок.
Г)
¦Ц»
13
В шестом параграфе четвертой главы даны результаты радиолокационных определений плотности метеороидов потоков близнецов. Для некоторых из них оценивалась величина пористости, которая не противоречит данным лабораторного моделирования.
В заключении приведены основные результаты диссертационной работы
14
Глава I. ОБРАЗОВАНИЕ ИОНИЗИРОВАННОГО МЕТЕОРНОГО СЛЕДА.
! 1.1. Процессы, сопровождающие полет метеорного тела
в атмосфере Земли.
Метеорную частицу, проникающую в атмосферу Земли из коо мического пространства со скоростью 12-72 км/с, можно рассматривать как ii> тело, движущееся в сопротивляющейся среде. Рассматривая движение
метеорного тела относительно молекул воздуха, мы можем принять, что метеорное тело тормозится за счет импульса, передаваемого встречными молекулами воздуха В результате соударений метеорное тело нагревается до нескольких тьюяч градусов, испаряется и создает ионизационный след. Из этих соображений выводятся основные уравнения физической теории метеоров.
i > а) Уравнение движения
Метеорное тело за время dt встречает массу воздуха dm»:
dn>a = SpVdt, (1.1)
где S - гоющадь лобового сечения метеорного тела, р - плотность атмосферы и V - скорость метеора Эта масса воздуха обладает кинетической энергией сЩ,и количеством движения dPa:
dEa = dma V2/2= 1/2 (S p V3 dt) >} (1.2)
dPa=dmaV=SpV2dt Площадь лобового сечения S метеорного тела выразим через его массу
m и плотность р:
S=Am2/3S'2/3, (1.3)
где А - коэффициент формы
1> Из закона сохранения количества движения находим уравнение
торможения метеорного тела:
mdV/dt = -rSpV* (1.4)
ГЬдставляя значение S из (1.3) получим:
i
| dV/dt = -rAmI/382/3pV2 (1.5)
i
Здесь Г - коэффициент сопротивления (доля количества движения налетающих молекул воздуха, передаваемая телу). Он зависит от ориентации и формы метеорного тела Вообще для тел неправильной формы среднее
i значеш!еАможетбьпьпгжнятькакусферь1А=1.21.
i
\& Цж выводе уравнения торможения (1.5) не учитывалось земное
притяжение, поскольку оно намного меньше силы сопротивления воздуха.
б) Нагревание и испарение метеорного тела.
Как мы уже отмечали, метеорные тела проникают в атмосферу Земли со скоростью в несколько десятков километров в секунду. Кинетическая энергия, теряемая молекулой воздуха при ударе о преграду и переданная молекуле метеора, равна amV2 /2 , где а - коэффициент аккомодации, y) представляющий собой отношение кинетической энергии, потерянной
молекулой при ударе, к той потере, которая имела бы место, если бы кинетическая энергия отлетающей молекулы соответствовала температуре преграды, m - масса молекулы Масса молекул, сталкивающихся за время dt с одним квадратным сантиметром поверхности метеороида, будет Vdt Cos a, где а - угол между нормалью к поверхности и направлением движения.
Следовательно, поток энергии, приходящийся на 1 см2 лобовой поверхности v
16
I
I
; метеороида, выразится соотношением:
W=l/2(apV2Cosa) (1.6)
Рассмотрим нагревание метеороида на высотах, где торможение , ^ незначительно. Можно считать V = VU — Const и поэтому потеря высоты
' метеороида будет
| h-ho = VtCosZr, (1.7)
i
j где с - плотность атмосферы на высоте h,Z,- зенитное расстояние радианта В
' пределах не слишком толстых слоев, изменение плотности атмосферы с
; высотой h может быть представлено показательным законом:
i I
К Ро е о » V. 1-6/
^ где ро - плотность атмосферы на высоте ho, it - высота однородной
| атмосферы, зависящая от температуры Т и массы молекул воздуха1
H=RT/n,g (1.9)
здесь R - газовая постоянная, g - ускорение силы тяжести иц- средний атомный вес метеорного вещества Учитывая (1.7) и (1.9) получим:
W=l/2(ap0Cbsa VeCoiZrVt/H*) (1.10)
Уравнение (1.10) представляет собой поток энергии, направленный внутрь метеорного тела и идущий на его нагревание, постепенное нагревание метеорных тел приводит к испарению и когда метеорное тело нагревается до температуры кипения, начинается его быстрое испарение. Скорость испарения будет определятся потоком энергии, получаемым метеорным телом. Следовательно, за счет этой энергии разогреваются следующие более глубокие слои. Обозначим энергию для нагревания и испарения 1 г метеорного
17
вещества через Q. Тогда
dm/dt = -Ws/Q, (1.11)
но
Ws = l^(pX\^S)H Vdt = -dh/Cbs?, (1.12) где X - коэффициент теплопередачи.
ГЬдставляя(1.12) в (1.11), находим:
(1.13)
2QCos7t Это уравнение также может быть записано в виде:
.SpV (1.14)
i 1> С учетом (1.3) уравнение (1.14) примет вид:
dm/dt = - (1/2Q) Я. А р (пУ 5)273 V3 (1.15)
Уравнение (1.15) носит название уравнения испарения.
1.2. Уравнения свечения и ионизации метеоров.
Изирившиеся с поверхности родительского тела атомы и молекулы
I V двигаются в атмосфере со скоростью самого метеорного тела и при их
, соударениях с атомами и молекулами окружающей среды (атмосферы)
происходят процессы упругого рассеяния, диссоциации, возбуждения и
! ионизации. Так как при метеорньк скоростях сечение диссоциации
i
значительно больше, чем сечение диффузии, возбуждения и ионизации [75, 147], то большинство испарившихся метеорньк молекул диссоциируют до того, как они будут возбуждены или ионизированы Таким образом, свечение происходит в основном в результате соударений метеорньк атомов с |
