Исследование физических характеристик метеоров по спектральным наблюдениям тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

российская академия наук институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн

На правах рукописи УДК 523.24

кохирова гулчехра исроиловна

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕТЕОРОВ ПО СПЕКТРАЛЬНЫМ НАБЛЮДЕНИЯМ

(01.03.03 - Гелиофизика и физика Солнечной системы)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: академик АН РТ,

доктор физико-математических наук, профессор П.Б. Бабаджанов

Москва - 1999

содержание

введение...................................................3

глава 1. свечение и спектры метеоров.

§ 1.1. Основные уравнения теории излучения.................16

§1.2. Качественный анализ спектров метеоров...............18

§1.3. Количественный анализ спектров метеоров.............24

глава 2. спектрофотометрия метеоров.

§ 2.1. Методы спектрографирования.........................34

§2.2. Исследование призмы, реплики дифракционной решетки, фотоматериалов, применяемых для получения

метеорных спектров....................................39

§2.3. Методика обработки спектров метеоров:

1) Определение длин волн в метеорных спектрах........45

2) Относительная спектрофотометрия...................54

3) Абсолютная спектрофотометрия.....................59

глава 3. определение физических характеристик метеорной комы по спектрам метеоров.

§3.1. Результаты определения химического состава

метеороидов...........................................62

§ 3.2. Степень неравновесности излучения метеорной комы. .. 65 § 3.3. Определение эффективной температуры возбуждения... 73 § 3.4. Методы и результаты определения концентрации ионов. 80 §3.5. Температура ионизации метеоров и параметры

ионизационной компоненты метеорной комы.............88

§3.6. Сравнительный анализ спектров метеоров

со спектрами комет....................................93

заключение...............................................99

литература...............................................102

приложение..............................................109

введение

Метеороиды — метеорные тела, частицы межпланетной пыли и, возможно, межзвездной пыли, совместно с кометами и астероидами, составляют популяцию малых тел Солнечной системы. Метеорные тела являются продуктом дезинтеграции кометных ядер и дробления астероидов при взаимных столкновениях. Метеорные тела, образующие метеороидные рои или спорадические метеороиды, обращаются вокруг Солнца по эллиптическим орбитам с разнообразными наклонами. При вторжении этих тел в атмосферу Земли происходит явление метеора. Метеор — это совокупность различного рода процессов, сопровождающих вторжение метеороидов в земную атмосферу в интервале скоростей от 11 до 72 км/с. Это явление доступно разным видам наземных и космических наблюдений. Совокупность этих процессов можно подразделить на два вида: макроскопического масштаба, которые составляют такие физические процессы, как разогревание метеороида до высоких температур, плавление, испарение, дробление, торможение, образование ударной волны и др., и микроскопического масштаба — сложное взаимодействие элементарных частиц метеорного вещества с молекулами и атомами земной атмосферы вдоль пути метеора.

Во время движения в земной атмосфере метеороид быстро нагревается за счет столкновений с молекулами воздуха и постепенно испаряется с поверхности. Таким образом метеорный газ образует метеорную плазму путем диссоциации и ионизации частиц газа под воздействием взаимных столкновений и столкновений с молекулами окружающей атмосферы. Плазма тормозится и откидывается назад от метеороида в виде тонкого столба — следа вдоль метеорного пути. Хотя плазма первоначально горячая и плотная, она постепенно диффундирует в окружающий воздух и остывает. Обычно метеор

наблюдается из-за его свечения. Свечение метеора происходит в основном от столба метеорной плазмы на ранней стадии диффузии. Продолжительность метеорного свечения, как правило, очень короткая и полагается, что она не больше 1 миллисекунды в любой точке метеорного пути, кроме случая метеорного хвоста — wake, обусловленное дроблением метеороида.

Наземные наблюдения комплекса метеорных явлений включают в себя визуальные, а также фотографические, радиолокационные и телевизионные средства регистрации. Эффективность метода наблюдений зависит от звездной величины метеора или массы метеороида. Очень слабые метеоры до +14 звездной величины регистрируются радиолокационной, телевизионной техникой регистрируются метеоры до +8--Ь9 звездной величины, а фотографическим методом и визуально можно регистрировать метеоры ярче +4 зв.величины. Метеоры ярче —4 зв.величины называются болидами. Диапазон звездных величин регистрируемых метеоров соответствует интервалу масс метеороидов от Ю-7 до 107 г. К космическим средствам наблюдений относятся приборы или аппаратура, установленные на борту космических аппаратов, геофизических ракет, ИСЗ или на межпланетных станциях. Речь идет о датчиках, ре-

Т 10

гистрирующих метеорные тела массой от менее 10 г до 10" г, а также, к примеру, об ультрафиолетовом спектрографе, спроектированном в Канаде.

Все наземные методы наблюдений применяются в Гиссарской обсерватории Института астрофизики АН РТ. Установленный здесь метеорный патруль кроме фотографических изображений дает возможность получать призменные и дифракционные спектры метеоров. Кроме этого, в последние годы здесь в период активности главных метеорных потоков работают пункты фотографических наблю-

дений болидов, включающих и спектральные наблюдения.

актуальность проблемы. Исследование физических явлений, сопровождающих полет метеорного тела в земной атмосфере, а именно, изучение траекторий, процессов свечения и ионизации метеоров, важно для выяснения физической природы метеороидов. Так как метеорные тела являются продуктами распада комет и метеороидов и вместе с ними составляют малые тела Солнечной системы, то понятны научный интерес и ценность изучения этого вещества с помощью одной из немногих возможностей доступа к нему — метеорного явления для решения проблем важнейшего раздела астрономии — космогонии. Согласно современным представлениям малые тела Солнечной системы являются реликтами того вещества, из которого около 4.5 млрд. лет назад образовались планеты Солнечной системы. Благодаря их ничтожным массам состав и физико-химические свойства малых тел остались почти такими же, как при образовании планетной системы, или, говоря другими словами, вещество комет и метеорных тел сохранилось в первозданном виде. Поэтому малые тела содержат важную информацию о тех условиях, которые господствовали в начальной стадии формирования Солнечной системы. Учитывая, что все научные результаты о строении и эволюции Солнечной системы получены в настоящее время, а достоверные сведения о ее начальном состоянии практически отсутствуют, огромное значение приобретает создание хорошо оснащенных всесторонних наблюдательных баз для сбора достоверных наблюдательных данных о малых телах, обработка и интерпретация этого материала.

Одним из направлений этой большой и сложной задачи является определение содержания различных химических элементов в современной Солнечной системе и далее, пользуясь полученными резуль-

татами, исследование состава первичной протосолнечной туманности. Как известно, такого рода результаты могут быть получены только из спектрального анализа, в частности (в нашем случае), излучения метеорного вещества, посредством которого находится химический состав метеороидов.

Спектры метеоров дают информацию об условиях возбуждения, свечения и ионизации метеорной плазмы, о химическом составе и концентрации элементов в метеороидах и, следовательно, о твердой составляющей ядер комет и астероидов.

Исследование метеоров имеет и важное прикладное значение. Так изучение метеорных следов, образующихся в атмосфере Земли после пролета метеора, представляет большой интерес для физики плазмы, геофизики, физики средней атмосферы и метеорной радиосвязи. По наблюдениям дрейфа метеорных следов определяются параметры воздушных течений в мезосфере и нижней термосфере, которые используются при определении циркуляции земной атмосферы.

Известно, что спорадический слой Е ионосферы оказывает существенное влияние на распространение радиоволн. Электронная концентрация в этой области подвержена сильным суточным вариациям, что изменяет и условия на радиотрассах. Наиболее вероятным источником ионизации ночной Е-области является ионизация метеорами. О влиянии метеорной ионизации на образование спорадических слоев Е свидетельствует и установленный факт существования на высотах появления спорадических слоев Е ионосферы металлических ионов Ее+, 81+, Mg+ и др., которые имеют метеорное происхождение.

Определение химического состава метеорных тел и физико-химических параметров метеорного явления и связанных с ним явлений в атмосфере Земли может быть выполнено только через анализ

метеорных спектров. Но не так легко получить состав метеороидов из спектрального анализа. И основная причина в том, что метеорное излучение это явление сложного порядка и содержит в себе много физических процессов , которые пока не очень хорошо изучены. Более того, существуют несколько неизвестных параметров, необходимых для определения физических условий в метеорной плазме. В результате знания о химическом составе метеороидов остаются неполными.

Теоретические подходы к спектральному анализу метеорного излучения можно подразделить на два пути. Один путь основан на детальном исследовании столкновительных процессов между атомами, испарившимися с метеороида (Fe, Mg, Са, Na, А1 и др.) и молекулами воздуха (N2 и О2), так как метеорное излучение происходит существенным образом за счет этих столкновений. Этот подход кажется наиболее разумным. Но все исследования в этом направлении были только экспериментальными (Boitnott S. A., Savage Н. F., 1970, 1971, 1972, 1973). Это следствие того, что теория неупругих столкновений между тяжелыми частицами очень сложная и получить практические решения трудно. Нет точной доступной теории, которая могла бы быть приложена к исследованию состава метеорных тел.

Альтернативный подход — применение теории термодинамического равновесия к метеорному излучению. Это применение не всегда возможно, так как метеорное излучение не находится в состоянии термодинамического равновесия. Тем не менее этот метод является полезным и ценным внутри ограниченных условий после введения некоторых модификаций к этой теории. И хотя этот метод является условным и достоверность результатов скорее всего ограничена, почти все спектральные исследования метеоров проведены с помо-

щью этого метода ( Babazhanov, Getman, 1979; Ceplecha,1963, 1964,1965, 1971; Harvey, 1971,1973,1973а; Nagasawa,1978). Это еще следствие того, что вычисления здесь значительно упрощены.

цель и задачи работы. До недавнего времени основным направлением в спектральных исследованиях являлся качественный анализ наблюдательного материала, важность которого, конечно, нельзя умалять. Ведь благодаря ему было установлено, что самым распространенным элементом в метеорных телах, обнаруженным по метеорным спектрам, является железо. Наиболее яркими являются также спектральные линии Nal, Mgl, Call, Cri, N2. Кроме них обнаружены линии таких элементов, как Mnl, Cal, NI, All, OI, Nil, Sil, Til, Col, линии ионизированных атомов Mgl I, Sill, Fell, All I, Till, Crll, Call.

Несмотря на то, что за последние 50 лет были получены сотни метеорных спектров во многих астрономических обсерваториях, в том числе и в ГисАО, но, к сожалению, количественный анализ метеорной спектроскопии не может похвалиться успехами, какие имеет, например, спектроскопия Солнца и звезд. Объем информации, получаемой из метеорных спектров, намного меньше, чем из солнечных и звездных спектров. Однако, в количественной метеорной спектроскопии могут быть успешно применены методы звездной спектроскопии.

В настоящей работе проведено детальное исследование спектров 9 метеоров потока Персеид, одного Геминид, одного 5-Акварид, и 2 спорадических, один из которых принадлежит к 3-ей ассоциации согласно данным Бабаджанова (1970). Работа выполнена на базе наблюдательного фотографического и спектрального материала, полученного как малыми камерами МК-25 (D=10 см, F=25 см), так и по методу мгновенной экспозиции (1 спектр) с камерой МК-75 (F=75

см, Б:Р=1:3.5) на Метеорном патруле Института астрофизики АН РТ. Данные об орбитах метеоров получены П. Б. Бабаджановым и др. (1969,1982,1996), для пяти из которых с участием автора.

Целью работы является качественный и количественный анализ метеорных спектров, а именно, определение химического состава метеороидов и получение наиболее важных для понимания природы метеорного вещества параметров излучающей метеорной комы. Для этого необходимо было решить следующие задачи:

1. Систематизировать и обобщить весь накопленный в метеорном отделе Института астрофизики АН РТ материал по первичной обработке метеорных спектров для определения длин волн спектральных линий, относительной и абсолютной спектрофотометрии и разработать методику обработки призменных спектров метеоров. Эта часть выполнена совместно с О. Ф. Золовой.

2. Обработать по этой методике отобранные спектры,.построить монохроматические кривые блеска и провести отождествление спектральных линий, найденных в спектрах.

3. Провести анализ степени неравновесности излучения метеорной комы и оценить вклад учета самопоглощения в спектральных линиях на интенсивность и, в конечном итоге, на определение физических характеристик излучающего объема.

4. Вычислить эффективную температуру возбуждения в метеорной коме по отношению интенсивностей линий различных элементов и провести сравнительный анализ с ранее полученными данными.

5. Определить параметры ионизованной составляющей метеорной плазмы, концентрацию ионов Са II вдоль пути метеора с использованием методики, применяемой в спектроскопии Солнца, а также температуру ионизации.

6. Выполнить сравнительный анализ спектров метеоров со спектрами комет с целью выявления химического состава и физических характеристик твердой составляющей ядер комет.

на защиту выносятся:

1. Методика обработки призменных спектров метеоров, созданная в Институте астрофизики АН РТ на основе многолетнего опыта работы с метеорными спектрами.

2. Результаты детальных спектрофотометрических измерений метеоров и полученные на этой основе монохроматические кривые блеска, а также результаты определения химического состава ме-теороидов.

3. Данные, подтверждающие неравновесность излучения метеорной комы и оценки поправки за учет самопоглощения в спектральных линиях.

4. Результаты определения эффективной температуры возбуждения в метеорной коме по отношению интенсивностей разных элементов.

5. Результаты определения температуры ионизации атомов Mg и Са и концентрации ионов Call и Mgll, а также некоторые другие параметры ионизационной компоненты метеорной комы.

6. Результаты определения эффективной температуры возбуждения и других найденных физических характеристик вдоль метеорного следа.

научная новизна работы заключается в том, что на основе большого наблюдательного материала,полученного в Метеорном отделе Института астрофизики АН РТ, стало возможным провести обширное комплексное исследование спектров метеоров от детальных спектрофотометрических измерений до качественного и количественного анализа. Причем это исследование проведено не с nolo

мощью широко распространенного метода эмиссионной кривой роста,требующего наличие в спектре множества мультиплетов одного элемента, а на основе видоизмененного метода Харви, а также впервые использованной в метеорной астрономии методики, применяемой в солнечной спектроскопии. Полученные значения характеристик метеорной комы хорошо согласуются с оценками других методов исследования метеорного излучения. В результате:

1. Проведен анализ степени неравновесности излучения метеорной комы. Оценены поправки за учет самопоглощения в спектральных линиях для некоторых химических элементов.

2. Показано, что эффективная температура возбуждения в метеорной коме, определенная по отношению интенсивностей разных элементов, заключена в пределах 1500 — 12000° К вдоль пути метеоров.

3. Температура ионизации атомов Mg и Са заключена в пределах 1600 — 7000° К. Получены значения концентрации ионов Са вдоль траекторий, степени ионизации для ионов Mg и Са, а также оценены некоторые другие параметры ионизационной компоненты метеорной комы, а именно электронная плотность среды в метеорном столбе, средний радиус метеорного столба для атомов Cal и Mgl, длина свободного пробега атомов Cal и Mgl.

4. Подтвержден давно известный наблюдательный факт падения эффективной температуры возбуждения в максимуме блеска метеора и показано, что и другие найденные физические ха