Статистические и динамические закономерности распределений малых тел в Солнечной системе тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.01 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Эффекты наблюдательной селекции в каталогах астероидов

1.1. Современное состояние данных об астероидах

1.2. Эффекты селекции в каталоге астероидов

1.3. Учет эффектов селекции для разных областей Солнечной 17 системы

1.4. Оценка полноты выборки каталога Ловелльской 18 обсерватории

1.4.1. Эффекты селекции в Главном поясе астероидов

1.4.2. Эффекты селекции во Внутренней части Солнечной 26 системы.

1.5. Сравнение с другими исследованиями эффектов селекции 28 при изучении астероидов.

1.6. Распределения астероидов по элементам орбиты

Глава 2 Статистические закономерности в Главном поясе 32 астероидов.

2.1. Исследование распределений астероидов.

2.2. Фазовое пространство астероидов Главного пояса

Глава 3. Миграция малых тел из Главного пояса в область 42 внутренних планет.

3.1 Источники опасных для Земли тел.

3.2 Астероиды, сближающиеся с Землей

3.3. Статистическая модель миграции АСЗ

Глава 4. 4.1.

Динамическая близость орбит малых тел в потоках Дисперсия элементов орбит тел в потоках

4.2. Определение момента истинной аномалии выброса для метеорных и болидных потоков

4.3. Критерии близости орбит

4.4. Критерий динамической близости орбит

4.5. Пример применения Е-критерия

Глава 5. Эволюция частицы космического мусора на ГЕО под воздействием асимметричного рассеянного солнечного излучения

5.1. Космический мусор

5.2. Модель фрагмента космического мусора

5.3. Эволюция орбиты частицы

5.4. Результаты вычислений

Актуальность темы

Малыми телами Солнечной системы традиционно называются астероиды, кометы и метеороиды. Проблема распределения и движения малых тел в Солнечной системе довольно сложна и далека от разрешения. Помимо астероидов, постоянно находящихся между орбитами Марса и Юпитера, в так называемом Главном поясе астероидов, имеется хотя и небольшая, но очень важная группа астероидов, чьи орбиты пересекают орбиту Земли. Эти астероиды могут упасть на Землю, что может повлечь существенные неприятности для жизни всего живого на планете. Популяция таких опасных объектов не является статичной. Поэтому важно проводить исследование путей миграции и возможных источников миграции малых тел.

Для исследования популяции малых тел Солнечной системы эффективны статистические методы. Существуют следующие проблемы, решить которые можно с помощью статистических исследований малых тел: построение полноценной модели населения малых тел Солнечной системы в окрестности Земли, включающей возможные источники пополнения этой популяции;

- изучение популяций малых тел Солнечной системы как сплошной среды, эволюции и миграции не для единичных объектов, а для всего ансамбля тел, аналогично тому, как это делается в звездной динамике.

Малые тела населяют весь объем Солнечной системы, в том числе и окрестности Земли. Вблизи своей планеты мы имеем возможность исследовать не только сравнительно крупные небесные тела, такие, как астероиды и кометы, но существенно более мелкие - метеороиды, наблюдаемые как метеоры и болиды при их сгорании в атмосфере. В окрестности Земли за последние 50 лет появились в дополнение к естественным небесным телам, которые там были всегда, огромное количество тел искусственного происхождения. Начав заниматься космической деятельностью люди, как всегда, стали оставлять после себя горы мусора, в данном случае - космического. Космический мусор (КМ) состоит из брошенных спутников, верхних ступеней ракет и их фрагментов. В окрестностях Земли, например на высотах порядка 500 км поток искусственных частиц превосходит поток естественных в диапазоне размеров от 10 мкм до 1 см. Поэтому, говоря о небесных телах в окрестностях Земли, необходимо рассматривать всю их совокупность, как естественного, так и искусственного происхождения. Цель работы

Анализ имеющихся сведений о популяции малых тел Солнечной системы в Главном поясе (III) астероидов, получение функции распределения малых тел в ГП.

Исследование миграции малых тел в область внутренних планет; получение скорости миграции и времени до выпадения на планеты.

Изучение семейств астероидов; разработка критерия динамической близости малых тел в метеорных и болидных потоках; определение момента выброса частиц из родительского тела; поиск потоков малых тел с помощью разработанного критерия динамической близости орбит.

Исследование долговременной эволюции частицы космического мусора под влиянием асимметричной составляющей светового давления. Научная новизна

Настоящая работа посвящена изучению статистических и динамических особенностей малых тел Солнечной системы.

1. Впервые построена функция распределения малых тел в Главном поясе.

2. Впервые получены оценки скорости миграции астероидов исходя из статистических данных.

3. Впервые предложен критерий динамической близости орбит.

4. Впервые исследована долговременная эволюция большой полуоси частицы космического мусора под влиянием асимметричной составляющей светового давления.

Практическая значимость

Решение поставленных задач позволяет приблизиться к построению полноценной модели малых тел в Солнечной системе. Предложенный подход к изучению динамики астероидов Главного пояса с помощью статистических исследований всего ансамбля, а не отдельных тел, позволяет получить ряд новых характеристик всего Главного пояса и по новому посмотреть на всю проблему - аналогично тому, как это делается в звездной динамике. Полученная функция распределения малых тел позволяет нам представить ГП в шестимерном фазовом пространстве координат-скоростей.

Полученные скорости миграции малых тел из ГП во внутреннюю часть Солнечной системы позволяют сделать вывод, что астероид упадет на одну из внутренних планет раньше, чем на Солнце. Срок миграции астероидов оказывается практически идентичным возрастам каменных метеоритов.

Исследование метеорных и болидных потоков позволяет получить при предположении, что выброс происходит единовременно, момент выброса частиц из родительского тела. Это дает нам возможность использовать полученное значение истинной аномалии для расчета критерия динамической близости орбит. Критерий динамической близости орбит позволяет обнаруживать динамически близкие семейства, т.е., такие, которые образовались в результате распада родительского тела.

Полученные параметры долговременной эволюции орбит частиц космического мусора под влиянием асимметричной составляющей светового давления позволяют сделать вывод, что полученные в последнее время результаты о принципиальном отличии отношения площадь поверхности к массе для геостационарных элементов КМ могут быть интерпретированы как существенно асимметричный вид этих фрагментов (для элементов КМ на низких орбитах это отношение поверхности к массе определяется из трения об атмосферу, поэтому их форма не имеет значения).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения. Список цитируемой литературы содержит 94 наименования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации проведен анализ имеющихся сведений о популяции малых тел Солнечной системы как в Главном поясе астероидов, так и АСЗ, метеороидов и комет. Предложенный подход рассмотрения популяций астероидов в газодинамическом приближении позволяет приблизиться к построению полноценной модели распределения малых тел в Солнечной системе. Статистически рассмотрен процесс миграции астероидов и метеороидов из Главного пояса во внутреннюю часть Солнечной системы. Показано, что срок миграции астероидов близок к возрастам каменных метеоритов. Большая часть астероидов, покинувших Главный пояс, падает на одну из внутренних планет. Полученные результаты могут иметь как фундаментальное значение, так и прикладное с целью изучения кометно-астероидно-метеороидной опасности для Земли.

Предложенный критерий динамической близости орбит малых тел в метеорных и болидных потоках позволил получить момент выброса частиц из родительского тела. Это дает нам возможность использовать полученное значение истинной аномалии для расчета критерия динамической близости орбит. Критерий динамической близости орбит позволяет обнаруживать динамически близкие семейства, т.е., такие, которые образовались в результате распада родительского тела.

Полученные параметры долговременной эволюции орбит частиц космического мусора под влиянием асимметричной составляющей светового давления позволяют сделать вывод, что полученные в последнее время результаты о принципиальном отличии отношения площадь поверхности к массе для геостационарных элементов КМ могут быть интерпретированы как существенно асимметричный вид этих фрагментов (для элементов КМ на низких орбитах это отношение поверхности к массе определяется из трения об атмосферу, поэтому их форма не имеет значения). Все это является существенным при исследовании засоренности области геостационарных орбит.

В заключение автор считает своим приятным долгом выразить искреннюю благодарность своему научному руководителю М.А. Смирнову и М.А. Микише за советы и внимание, и всему коллективу Отдела Космической астрометрии за постоянную помощь и поддержку.

1. Абалакин В.К., Аксенов Е.П., Гребеников Е.А., Демин В.Г., Рябов Ю.А. Справочное руководство по небесной механике и астродинамике. Под ред. Дубошина Г.Н. Изд. 2-е, Гл. ред.физ.-мат. лит., Изд. "Наука", 1976, с. 347.

2. Абдульмянов Т.Р. Динамическая однородность резонансных групп астероидов // Всероссийская астрономическая конференция "ВАК-2001", Санкт-Петербург, 6-2 августа 2001 г.Тезисы. http://www.astro.spbu.ru/stafCstaff/ilin2/AC2001/celmech.html

3. Барабанов С.И., Смирнов М.А. Анализ содержания крупных тел в метеорных и болидных роях // Астрономический вестник, 2005, т.З, №3

4. Игнатенко П.И. Применение компьютерных технологий для исследования динамической эволюции малых тел. // Околоземная астрономия XXI века. М.:ГЕОС, 2001. 206-215

5. Ипатов С.И. Изменения эксцентриситетов орбиты астероидного типа в окрестности резонанса 2:5 // Письма в АЖ, 1989. Т.15. №8, С.750-760

6. Каталог, 2004 // ftp://ftp.lowell.edu/pub/elgb/astorb.dat. 02.11.04

7. Микиша А.М., Смирнов М.А., Определение вектора светового давления по фотометрическим наблюдениям геостационарных спутников // Астрон. журнал, 1990, т. 67, рр. 1095-1110.

8. МПЦ, 2004 // http://cfa-www.harvard.edu/iau/lists/MPLists.html 02.11.04

9. МПЦ, 2005 // http://cfa-www.harvard.edu/iau/lists/MPLists.html 07.06.2005

10. Назаренко А.И. http://resurs.cpi.space.ru/WWW-page/partl.htm (июнь 2005)

11. Новикова Е.С., Смирнов М.А., Чепурова В.М. Влияние электростатических явлений на элементы орбиты и моменты вращения ядра кометы // Околоземная астрономия и проблемы изучения малых тел Солнечной системы. М. "Космосинформ", 2000, с. 197-200

12. Смирнов М. А., МикишаА.М., Вековая эволюция высокоорбитальных космических объектов под действием светового давления // Проблем загрязнения космоса (Космический мусор) (ред. А.Г. Масевич) М., Космосинформ, сс 126-142, 1993.

13. Смирнов М.А., МикишаА.М., Вековая эволюция высокоорбитальных космических объектов под действием светового давления, // Столкновения в околоземном пространстве. М., Космосинформ, сс. 252271, 1995.

14. Холшевников КВ., Васильев Н.Н. Критерии близости орбит небесных тел // Космическая Защита Земли 2000 (КЗЗ-2000) http://www.snezhinsk.ru/asteroids/

15. Abdel-Aziz У., Abd El-Salam F. An efficient algorithm for orbital evolution of space debris // 35th COSPAR Scientific Assembly. Held 18-25 July 2004, in Paris, France., p.2349 (2005)

16. Anilkumar, A. K.; Ananthasayanam, M. R.; Subba Rao, P. V. A Simple Model for the Orbital Debris Environment in GEO // 35th COSPAR Scientific Assembly. Held 18 25 July 2004, in Paris, France., p.3319 (2005)

17. Bottke W.F., Morbidelli A., Jedicke R. Petit J.-M., Levison H.F., Michel P., Metcalfe T.S. Debiased Orbital and Absolute Magnitude Distribution of the Near-Earth Objects // Icarus, Volume 156, Issue 2, pp. 399-433 (2002).

18. Bottke W. F., DurdaD., NesvornyD., Jedicke R., Morbidelli A. The Fossilized Size Distribution of the Main Asteroid Belt // American Astronomical Society, DDA meeting #35, #06.04. (2004)

19. Bottke W. F,, Jedicke R., Morbidelli A., Gladman B., Petit, J.-M. Understanding the Distribution of Near-Earth Asteroids // American Astronomical Society, DPS meeting #31, #28.01. 1999. (1999)

20. Bus S. J. Compositional structure in the asteroid belt: Results of a spectroscopic survey // Thesis (PhD). Massachusetts Institute Of Technology, Source DAI-B 61/01, p. 311, Jul 2000, pages (1999)

21. Bus S. J., Binzel R. P., Volquardsen E. L., Berghuis J. L Orbital Distribution of Main-belt S-type Asteroids // American Astronomical Society, DPS meeting #36, #32.11.(2004)

22. Chesley S., Vokrouhlicky D., Milani A. Detecting the Yarkovsky effect with the use of radar astrometry // American Astronomical Society, DPS Meeting #32, #13.05; Bulletin of the American Astronomical Society, Vol. 32, p.1017 (2000)

23. CukM., Burns J. A. Effects of Thermal Radiation on the Dynamics of Binary NEAs // American Astronomical Society, DPS meeting #36, #48.01

24. Delbo M, Harris A. W., Binzel R.P., Pravec P., Davies J.K. Keck observations of near-Earth asteroids in the thermal infrared // Icarus, Volume 166, Issue 1, p. 116-130. (2003)

25. Drummond J. D. A test of comet and meteor shower associations. Icarus, 45, 545-553. (1981)

26. Drummond J. Near-Earth Asteroid Streams // Bulletin of the American Astronomical Society, Vol. 22, p.l 125. 1990

27. Drummond J. D. The D Discriminant and Near-Earth Asteroid Streams // Icarus, Volume 146, Issue 2, pp. 453-475. 2000.

28. DurdaD. D., BottkeW.F., NesvornyD., AsphaugE., Richardson D. C. Size-Frequency Distribution of Fragments from SPH/N-Body Simulations: Comparison with Observed Asteroid Families // 36th Annual Lunar and

29. Planetary Science Conference, March 14-18, 2005, in League City, Texas, abstract no. 1876. (2005)

30. Evans J. B.; Stokes G. H., VigghH.E.M., Stuart J. S. Detection Efficiency of LINEAR //American Astronomical Society, DPS Meeting #33, #54.08; Bulletin of the American Astronomical Society, Vol. 33, p.l 138 (2001)

31. FarinellaP., GoncziR., Froeschle Ch., FroeschleC. The injection of asteroid fragments into resonance's //Icarus (ISSN 0019-1035), vol. 101, no. 2, p. 174-187.(1993)

32. Farinella P., Vokrouhlicky D. Semimajor axis mobility of asteroidal fragments // SCIENCE Volume 283, p. 1507-1510 (1999).

33. Fernández J A., Gallardo T., BruniniA. Are There Many Inactive Jupiter-Family Comets among the Near-Earth Asteroid Population?//Icarus, Volume 159, Issue 2, p. 358-368. 2002

34. Ferraz-Mello S. Slow and Fast Diffusion in Asteroid-Belt Resonances: A Review //Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy 73 (1-4): 25-37, 1999

35. Giordano C. M, Cincotta P. M. Chaotic diffusion of orbits in systems with divided phase space //Astronomy and Astrophysics, v.423, p.745-753 (2004)

36. Harris A. W. The Population of Near-Earth Asteroids // American Astronomical Society, DDA Meeting #31, #06.04; Bulletin of the American Astronomical Society, Vol. 32, p.862. (2000).

37. Jedicke R., Larsen J., Spahr T. Observational Selection Effects in Asteroid Surveys I I Asteroids III, W. F. Bottke Jr., A. Cellino, P. Paolicchi, and R. P. Binzel (eds), University of Arizona Press, Tucson, p.71-87. (2002)

38. Jedicke R., Metcalfe T. S. The Orbital and Absolute Magnitude Distributions of Main Belt Asteroids. // Icarus, Volume 131, Issue 2, pp. 245-260. 1998

39. Jewitt D. C., Trujillo C. A., and Luu J. X. (2000) Population and size distribution of small jovian Trojan asteroids. Astron. J., 120, 1140-1147.

40. Jopek T. JRemarks on the meteor orbital similarity D-criterions. // Icarus, 106, 603-607. (1993)

41. Jorgensen, K.; Africano, J.; Hamada, K.; Stansbery, E.; Sydney, P.; Kervin, P. Physical properties of orbital debris from spectroscopic observations// Advances in Space Research, Volume 34, Issue 5, p. 1021-1025. (2004)

42. Kazantsev A.M., Lupishko D.F. Search for near-earth asteroids based on their spatial distribution // in Memorie della Societa' Astronómica Italiana, vol. 73, no. 3, p. 751 (2002)

43. Kholshevnikov K. V., Vasiliev N. N. On the distance function between two Keplerian elliptic orbits. // Celest. Mech. and Dynam. Astron. 1999. Vol. 75. P. 75-83. (1999)

44. Metcalfe T. S., Jedicke R. Spacewatch Model-Independent Technique for Correcting Observational Bias //American Astronomical Society, DPS meeting #28, #10.04; Bulletin of the American Astronomical Society, Vol. 28, p.1096. (1996)

45. Michel P., Migliorinid F., Morbidelli A., Zappala V. The Population of Mars-Crossers: Classification and Dynamical Evolution // Icarus 145, 332-347 (2000)

46. Mikisha A.M., Smirnov M.A., The Influence of Solar Light Pressure to GEO Objects. Evolution Aspects, Proc. of the Second European Conf. On Space Debris, ESA SP-393, pp. 323-325, 1997.

47. Morbidelli A., Jedicke R., BottkeW.F., Michel P., Tedesco E. F. From Magnitudes to Diameters: The Albedo Distribution of Near Earth Objects and the Earth Collision Hazard. //Icarus, Volume 158, Issue 2, p. 329-342. (2002)

48. Morbidelli A., Vokrouhlicky D. The Yarkovsky-driven origin of near-Earth asteroids // Icarus, Volume 163, Issue 1, p. 120-134. (2003)

49. Mothe-Diniz T., Carvano J., Lazzaro D. Distribution of taxonomic classes in the main belt of asteroids // Icarus, Volume 162, Issue 1, p. 10-21. (2003)

50. Nakamura T., Yoshida F. Statistical Method for Deriving Spatial and Size Distributions of Sub-km Main-Belt Asteroids from Their Sky Motions // Publications of the Astronomical Society of Japan, Vol.54, No.6, pp. 10791089 (2002)

51. Neukum G., Ivanov B. A., Hartmann W. K. Cratering Records in the Inner Solar System in Relation to the Lunar Reference System // Space Science Reviews, v. 96, Issue 1/4, p. 55-86 (2001).

52. O'Brien, D. P.; Greenberg, R. The Evolution of the Main belt and NEA size Distributions // American Astronomical Society, DPS Meeting #34, #02.04; Bulletin of the American Astronomical Society, Vol. 34, p.836 (2002)

53. Opik, E. J. Collision probability with the planets and the distribution of planetary matter // Proc. R. Irish Acad. Sect. A, vol. 54, p. 165-199 (1951).

54. PencoU.; dell'Oro A., PaolicchiP., Campo Bagatin A., La Spina A., CellinoA. Yarkovsky depletion and asteroid collisional evolution //Planetary and Space Science, Volume 52, Issue 12, p. 1087-1091. (2004)

55. Rabinowitz D. L., Helin E., Lawrence K., and Pravdo SA reduced estimate of the number of kilometre-sized near-Earth asteroids. // Nature, 403, 165—166. . (2000)

56. Rabinowitz D. L., Wetherill G. W. Are Main-belt Asteroids a Sufficient Source for the Earth-Approachers? I I Meteoritics, vol. 30, no. 5, page 563. (1995)

57. Rykhlova L.V., Bagrov A.V., Kasimenko T.V., Mikisha A.M., Smirnov M.A., Barabanov S.I., Novikova E.S.Search and observations of space debris and near Earth objects at INASAN. // Adv. Space Res., 2001, v. 28, p. 13011307.

58. SahaP. Simulating the 3:1 Kirkwood gap. Icarus, 100, 434-439. (1992)

59. Sekanina Z Statistical model of meteor streams I. Analysis of the model // Icarus Volume 13, Issue 3 , November 1970, Pages 459-474 (1970)

60. Schildknecht T. Optical observations of Space debris in high altitude orbits // Fourth Europ. Conference on Space debris, Darmstadt, 18020 April, 2005. Abstracts, p.5 7

61. Smith, D. A.; Martin, C.; Kassebom, M.; Petersen, H.; Shaw, A.; Skidmore, B.; Smith, D.; Stokes, H.; Willig, A. A mission to preserve the geostationaryregion // Advances in Space Research, Volume 34, Issue 5, p. 1214-1218. (2004)

62. Southworth R. B. and Hawkins G. S. (1963) Statistics of meteor streams. // Smithson. Contrib. Astrophys., 7, 261—285.

63. Spahr T. B. Debiasing the Main-Belt Asteroid Population // Thesis (PHD). University of Florida, Source DAI-B 59/06, p. 2805, Dec 1998, 98 pages.

64. Stuart J. S. A Near-Earth Asteroid Population Estimate from the LINEAR Survey// Science, Volume 294, Issue 5547, pp. 1691-1693 (2001).

65. Stuart J. iS., Binzel R. P. Bias-corrected population, size distribution, and impact hazard for the near-Earth objects //Icarus, Volume 170, Issue 2, p. 295-311.(2004)

66. Tedesco E.F., Cellino A., Zappala V. The Statistical Asteroid Model. I. The Main-Belt Population for Diameters Greater than 1 Kilometer // The Astronomical Journal, Volume 129, Issue 6, pp. 2869-2886.(2005)

67. Todd L., Bowling T. Debris Mitigation in Geostationary Earth Orbit // http://naca.central.cranfield.ac.uk/dcsss/2004/C23ToddEDITfinal.pdf

68. Tsiganis K., Varvoglis H., Hadjidemetriou J. D. Stable Chaos versus Kirkwood Gaps in the Asteroid Belt: A Comparative Study of Mean Motion Resonances // Icarus, Volume 159, Issue 2, p. 284-299. (2002)

69. Tsiganis K., Varvoglis H., MorbidelliA. Short-lived asteroids in the 7/3 Kirkwood gap and their relationship to the Koronis and Eos families //Icarus, Volume 166, Issue 1, p. 131-140. (2003)

70. Varvoglis, H.; Koukioglou, S. The Distribution in Eccentricity and Inclination, as a Function of the Semi-major Axis of Asteroids // American Astronomical Society, DDA meeting #34, #06.16 (2003)

71. VirtanenJ., Muinonen K., Bowell E. Statistical Ranging of Asteroid Orbits // Icarus, Volume 154, Issue 2, pp. 412-431 (2001).

72. Vokrouhlicky D., MilaniA., ChesleyS.R. Yarkovsky Effect on Small Near-Earth Asteroids: Mathematical Formulation and Examples // Icarus, Volume 148, Issue l,pp. 118-138(2000).

73. Wegener, P.; Bendisch, J.; Krag, H.; Oswald, M.; Stabroth, S. Population evolution in the GEO vicinity // Advances in Space Research, Volume 34, Issue 5, p. 1171-1176. (2004)

74. Whipple F. L. (1950) A comet model. I. The acceleration of Comet Encke. Astrophys. J., Ill, 375-394.

75. Whipple F. L. (1951) A comet model. II. Physical relations for comets and meteors. Astrophys. J., 113, 464.

76. Wisdom J. Chaotic behavior and the origin of the 3/1 Kirkwood gap. Icarus, 56, 51-74.(1983)

77. Wisdom J. The origin of Kirkwood gaps: A mapping for asteroidal motion near the 3/1 commensurability. Astron. J., 85, 1122-1133. (1982)

78. YoshidaF., Nakamura T. Basic nature of sub-km main-belt asteroids: their size and spatial distributions // Advances in Space Research, Volume 33, Issue 9, p. 1543-1547. (2004)

79. Zappala V., Bendjova Ph., Cellino A., Farinella P., Froeshle C. Asteroidfamilies: Search of 12487 asteroid sample using two different clustering techniques // Icarus, v. 116, p291-314 (1995)