Физико-химические аспекты столкновений комет с телами Солнечной системы тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА

физический факультет

кафедра астрофизики и звездной астрономии

На правах рукописи УДК 523.3

Алексей Андреевич Бережной

Физико-химические аспекты столкновений комет

с телами Солнечной системы (01.03.02 - Астрофизика, радиоастрономия)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук В. В. Шевченко

МОСКВА - 1998

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы Столкновения комет с планетами играют важную роль в эволюции Солнечной системы. Например, многие факты свидетельствуют о том, что 65 млн. лет назад произошло столкновение Земли с кометой, в результате которого погибли динозавры. В июле 1994 года впервые за исторический период времени произошло столкновение кометы с планетой: 21 фрагмент кометы Шумейкеров-Леви 9 столкнулся с Юпитером. За процессом столкновения наблюдали практически все крупные обсерватории мира. Было зарегистрировано излучение молекул, некоторые из которых не были обнаружены в атмосфере Юпитера до столкновения с кометой. В данной работе проведено исследование физико-химических процессов во время столкновения кометы с Юпитером. Рассмотрение этого вопроса особенно важно для решения проблемы химической эволюции атмосфер планет-гигантов.

Также проведено исследование возможных последствий столкновений комет с Луной. Следами таких столкновений, вероятно, являются диффузные структуры, выделяющиеся на лунной поверхности по фотометрическим и магнитным свойствам. Так как кометные ядра богаты летучими компонентами, в основном, водой, то некоторая часть воды и других летучих соединений кометного происхождения может сохраняться в зонах вечной тени на полюсах Луны после столкновения комет с Луной. Изучение полярных льдов на Луне важно для понимания природы сталкивающихся с Луной небесных тел. Кроме того, летучие соединения могут быть использованы в качестве топлива в процессе функционирования будущей лунной базы.

Цель работы Целью настоящей работы является исследование физико-химических процессов при столкновении комет с телами Солнечной системы. Рассмотрено два варианта таких столкновений: столкновение кометы с Луной, не обладающей атмосферой, и столкновение кометы с Юпитером.

При выполнении работы были поставлены следующие задачи: определение элементного состава возмущенной области атмосферы Юпитера во время столкновения с кометой для изучения гидродинамических аспектов столкновения;

определение на основании имеющихся данных по концентрациям молекул в возмущенной области параметров закалки химического состава газа; исследование химического состава ударно-образованной лунной атмосферой" кометного происхождения;

решение вопроса сохранения летучих кометного происхождения в полярных регионах Луны;

СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка

цитируемой литературы и приложения. Во введении дается краткое описание проблем, затронутых в диссертации, ставятся цели и обосновывается актуальность данной работы.

1. В первой главе дан краткий обзор наблюдений падения кометы Шумейкеров-Леви 9 на Юпитер, наиболее детально рассматриваются наблюдения молекул в местах падения крупных фрагментов кометы Шумейкеров-Леви 9 (Noll et al., 1994; Bockelee-Morvan, 1995). Кратко освещается механизм разрушения кометных фрагментов в юпитерианской атмосфере. Приведены оценки высот взрывов кометных фрагментов (Ивлев и др., 1995), рассматриваются гидродинамические процессы, протекавшие в возмущенной падением кометы атмосферой Юпитера. Дан критический анализ работ (Zahnle et al., 1995; Borunov et al., 1997), в которых освещаются химические процессы в возмущенной атмосфере планеты-гиганта.

2. Во второй главе рассмотрены результаты расчетов равновесного химического состава расширяющегося огненного шара при различных начальных температурах и давлениях, элементном составе огненного шара.

Максимальная температура в местах падения кометных фрагментов

составила несколько десятков тысяч градусов, поэтому атмосфера Юпитера в местах падения кометных фрагментов представляла собой ионизованную плазму. При охлаждении огненного шара до температуры порядка 5000 К произошло образование молекул. Характерное время протекания химических процессов сначала было значительно меньше характерного времени охлаждения огненного шара, поэтому химический состав огненного шара соответствовал равновесному. Когда характерное время химических процессов совпало с характерным временем охлаждения, наступила закалка химического состава возмущенной области и в дальнейшем относительные концентрации молекул перестали изменяться, соответствуя равновесным во время закалки. Так как равновесный химический состав газовой смеси чувствителен к параметрам закалки, то мы можем, используя наблюдательные данные по относительным концентрациям молекул, решить обратную задачу - оценить температуру, давление и элементный состав огненного шара во время закалки. Используя найденные параметры закалки, анализируются различные гипотезы происхождения наблюдавшихся молекул. По данным по элементному составу возмущенной области во время закалки, изучается механизм смешения кометного и планетного вещества в местах падения кометных фрагментов. По содержанию наблюдавшихся соединений также оценивается глубина проникновения кометных фрагментов в атмосферу планеты и размеры кометных фрагментов.

3. В третьей главе дан обзор имеющихся в литературе данных по проблеме столкновения комет с Луной. Приведены оценки частоты столкновений комет с Луной в настоящее время и на ранних стадиях существования Солнечной системы. Излагаются наблюдательные данные, косвенно подтверждающие гипотезу кометных ливней, согласно которой около 10 млн. лет назад с Луной столкнулось несколько комет (Шевченко, 1996). Дан обзор современных представлений физики высокоскоростного удара кометы по безатмосферному телу. Приводятся результаты расчетов средних скоростей столкновения

долгопериодических и короткопериодических комет с Луной. Также рассмотрены основные гипотезы химического состава кометных ядер. Освещены результаты исследования летучих соединений в образцах лунного грунта, возвращенных на Землю по программе "Аполлон". Приведен обзор работ по основным источникам летучих (солнечный ветер, кометные удары, микрометеоритная бомбардировка, дегазация лунных недр) в холодных ловушках на полюсах Луны (Watson et al., 1961; Arnold, 1979)., Приводятся данные работ по изучению температурного режима в полярных регионах Луны. Также рассматриваются результаты исследований полярных регионов Луны с помощью американских аппаратов "Клементина" (Nozette et al., 1996) и "Лунар проспектор" (Feldman et al., 1998), которые подтвердили наличие воды на Луне.

4. В четвертой части моделируется падение кометы на Луну. Вначале оценивается возможность сохранения кометного вещества на Луне после столкновения кометы с Луной. Рассчитывается равновесный химический состав охлаждающегося огненного шара, состоящего из смеси лунного и кометного вещества, при различных начальных температурах и давлениях. Оценивается диапазон параметров закалки химического состава огненного шара, при которых вода является основным компонентом ударно-образованной лунной атмосферы. На основании имеющихся оценок температуры лунной поверхности в области холодных ловушек определены компоненты временной лунной атмосферы, конденсация которых в холодных ловушках термодинамически возможна. Разработана модель роста температуры реголита с глубиной в районе холодных ловушек. Приведены оценки температуры подповерхностного слоя реголита, при которых возможно сохранение летучих соединений в холодных ловушках в течение геологических масштабов времени. Рассматриваются различия в изотопном составе воды различного происхождения. Показано, что эти различия достаточно существенны: по изотопному составу можно сделать выводы об основном источнике воды.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1. Выдвинут механизм образования наблюдавшихся на Юпитере

соединений во время столкновения с планетой кометы Шумейкеров-Леви 9. Молекулы были синтезированы в нижней стратосфере планеты, а затем были выброшены ударной волной на высоты 200-300 км.

2. Предложен метод оценки размеров крупнейших фрагментов кометы Шумейкеров-Леви 9 и глубины их проникновения в атмосферу планеты по данным наблюдений молекул.

3. Построена модель химического состава газового шара, образующегося при столкновении кометы с Луной. В предположении сохранения кометного вещества на Луне во время удара оценены параметры временной лунной атмосферы кометного происхождения и определены компоненты этой атмосферы, конденсация которых термодинамически возможна в холодных ловушках на полюсах Луны.

4. Исследован температурный режим полярных областей Луны. Получены сведения о сохранности летучих в холодных ловушках.

РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. По оцененной температуре (1000-1400 К) и давлению (0.1-10 кПа)

закалки химического состава возмущенной области во время столкновения кометы Шумейкеров-Леви 9 с Юпитером предложен механизм синтеза наблюдавшихся соединений в нижней стратосфере планеты,

2. По данным наблюдений молекул оценены размеры крупнейших фрагментов кометы Шумейкеров-Леви 9 (2-3 км) и глубина их проникновения в атмосферу Юпитера (-100 км).

3. Показано, что вода является основным компонентом газового шара, образующегося при практически всех возможных вариантах столкновении кометы с Луной. На основании теории закалки оценено содержание других химических соединений в газовом шаре.

4. Если кометное вещество остается на Луне после столкновения, то

возможно сохранение в холодных ловушках на полюсах Луны летучих соединений кометного происхождения в течение геологических промежутков времени.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ

1. Разработанный в диссертационной работе метод оценки модификации

химического состава атмосферы Юпитера во время столкновения кометы Шумейкеров-Леви 9 с планетой применим к столкновениям комет с планетами-гигантами и Титаном. Исследование эволюции химического состава атмосфер планет-гигантов и Титана под действием столкновений с кометами позволит оценить важность кометного фактора в эволюции атмосфер этих тел.

2. Возможно применение разработанной методики определения химического состава огненного шара, образующегося при столкновении комет с Луной, к изучению физико-химических процессов при столкновениях комет с другими крупными безатмосферными спутниками планет и Меркурием.

3. Полученные оценки массы, химического и изотопного состава летучих соединений в холодных ловушках на полюсах Луны могут непосредственно использоваться при разработке научно-исследовательских программ космических аппаратов, изучающих Луну.

4. Предложенная методика определения модификации химического состава поверхности полярных районов Луны под действием кометных ударов применима с некоторыми изменениями к исследованию химического состава полярных регионов Меркурия и галилеевых спутников Юпитера.

5. Результаты расчетов существования ледяных отложений в полярных регионах Луны использованы при разработке российского космического проекта "Луна-Глоб" (научно-технический отчет по теме "Полюс", договор с ГЕОХИ РАН-РКА)

АПРОБАЦИЯ

Результаты, включенные в диссертацию, докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

1. International Conference on the SL9-Jupiter Collision, July 3-5, 1996, Meudon, France

2. Астрономическая конференция студентов и молодых ученых (Киев, 1996)

3. Международная студенческая конференция "Ломоносов-97" (Москва, 1997)

4. International Conference "Planetary systems - the long view", Blois, France, 1997

5. 26 российско-американский микросимпозиум по сравнительной планетологии (Москва, 1997)

6. Международная студенческая конференция "Физика и дидактика" (Poland, Kielce, 1997)

7. Научный семинар лаборатории эволюции Земли и планет ОИФЗ им. О.Ю. Шмидта (Москва, 1998)

8. 3 Международная конференция по исследованию и освоению Луны (Москва, 1998)

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Бережной А.А., Клумов Б.А., Фортов В.Е., Шевченко В.В. Столкновение кометы с Юпитером: определение глубины проникновения осколков по молекулярным спектрам, Письма в ЖЭТФ, Т. 63, № 6, С. 387-391, 1996

2. Berezhnoi А.А., Klumov В.А., Fortov V.E., Shevchenko V.V. Shock chemistry in Jovian atmosphere following SL9 impact, International Conference on the SL9-Jupiter Collision, 1-2, July 3-5, 1996, Meudon, France

3. Berezhnoi A. A., Dorofeeva V.A. The behavior of sulfur during impact interactions of comets with the Moon, Experiment in Geosciences, Vol. 6, № 2, p. 77, 1997

4. Berezhnoi A. A. About comet origin of lunar ice, Experiment in Geosciences, Vol. 6, № 2, p. 76, 1997

5. Shevchenko V., Berejnoi A. A probable source of the polar ice on atmosphereless planets and satellites, 9emes Rencontres de Blois: Planetary systems - the long view, Blois, France, p. 55, 1997

6. Berejnoi A.A., Shevchenko V.V., Dorofeeva V.A. Comets-probable source of volatiles on the Moon, 26 Microsymposium on comparative planetology, October 1317, 1997, Moscow, Russia

7. Berejnoi A.A., Shevchenko V.V. Water ice and Sulfur on the Moon, International Conference "Physics and Dydactics", Kielce, Poland, December 1-7,1997

8. Berezhnoi A.A., Klumov B.A. Lunar ice: Can its origin be determinated? JETP Letters, V. 68, No. 2, p. 163-167, 1998

9. Berejnoi A.A., Shevchenko V.V., Klumov B.A. Some features of the cometary origin ice on the Moon, Abstr. 3 International Conference on Exploration and Utilization of the Moon, p. 33, October 11-14, Moscow, Russia, 1998

10. Бережной А.А., Шевченко В.В. О пометном происхождении лунных льдов, Астрономический Вестник, в печати

Исследования, вошедшие в данную диссертацию, были поддержаны грантами РФФИ и ГНТП "Астрономия".

Хочу выразить признательность своему научному руководителю В.В. Шевченко за постановку задач, руководство и внимание к моей работе. Хочу поблагодарить Ж.Ф. Родионову, В.И. Чикмачева, других коллег из отдела исследований Луны и планет ГАИШ МГУ за плодотворные дискуссии. Я признателен соавторам из других институтов: В.А. Дорофеевой, Б.А. Клумову.

глава 1. столкновение кометы шумейкеров-леви 9

с юпитером

1.1. РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ КОМЕТЫ ШУМЕЙКЕРОВ-ЛЕВИ 9 ДО

ЕЕ СТОЛКНОВЕНИЯ С ЮПИТЕРОМ

Комета Шумейкеров-Леви 9 была открыта в марте 1993 г. американскими астрономами Кэролайн и Юджином Шумейкерами и Дэвидом Леви (Shoemaker et al., 1993). По данным астрометрических наблюдений были вычислены элементы орбиты кометы, из которых следовало, что комета сближалась с Юпитером в июле 1992 года на минимальную дистанцию 105 км, а в июле 1994 года столкнется с Юпитером (Nakano et al., 1993).

Комета Шумейкеров-Леви 9 отличалась от других комет своим видом. Например, наблюдения на Космическом Телескопе им. Хаббла (Weaver et al., 1995) показали, что комета состоит более чем из 20 отдельных фрагментов, получивших обозначения (буквы латинского алфавита) по порядку следования в цепочке длиной несколько миллионов километров (рис. 1.1). Исходя из результатов расчетов траектории кометы, выдвинуто предположение о "родительском" космическом теле кометы Шумейкеров-Леви 9, разрушенном в июле 1992 года во время тесного сближения с Юпитером под действием приливных сил (Scotti, Melosh, 1993). Разрушение первоначального кометного ядра свидетельствует о рыхлости и слабой прочности связей между его отдельными частями. С этой гипотезой образования фрагментов кометы Шумейкеров-Леви 9 согласны практически все исследователи. Однако структура первичного ядра кометы продолжает оставаться невыясненной. Почти все имеющиеся модели рассматривают "родительское" тело в виде набора слабо связанных друг с другом фрагментов.

Выдвинуто две основные концепции строения "родительского" тела. Согласно первой концепции, отдельные фрагменты кометы были связаны друг

с другом относительно слабой механической связью. Согласно второй концепции, отдельные части первичного ядра кометы удерживались гравитационными силами. Подобное различие между этими концепциями уходит своими корнями на несколько десятилетий назад, когда были выдвинуты две диаметрально противоположные модели строения ядер комет: модель "ледяного конгломерата" и модель "песчаного роя".

Выбор исходной модели строения первичного ядра кометы позволяет оценить параметры вторичных ядер кометы. Если первичное ядро кометы представляло собой набор дискретных ядер, механически связанных друг с другом, то их распад происходил постепенно (Sekanina, 1995). Во время сближения с Юпитером в июле 1992 года первичного ядра кометы (согласно модели "ледяного конгломерата", его размеры были около 10 км) приливные силы привели к образованию нескольких крупных фрагментов, которые продолжали распадаться вплоть до апреля 1993 года. В результате вторичной фрагментации первичное ядро кометы распалось на достаточно большое количество осколков размером от нескольких сотен метров до 2-3 км. В дальнейшем под действием гравитационного поля Юпитера эти осколки вытянулись в одну линию.

Иначе должна была происходить фрагментация в том случае, если первичное ядро состояло из множества мелких ядер размером порядка сотни метров. Согласно модели "песчаного роя" (Asphaug, Benz, 1994