О механизме разрушения и плотностях метеороидов по результатам совместных фото-радиолокационных и радиотелевизионных наблюдений

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _________________________________2008, том 51, №4_____________________________

АСТРОФИЗИКА

УДК 523.68

Н.А.Коновалова, М.Нарзиев О МЕХАНИЗМЕ РАЗРУШЕНИЯ И ПЛОТНОСТЯХ МЕТЕОРОИДОВ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ СОВМЕСТНЫХ ФОТО-РАДИОЛОКАЦИОННЫХ И РАДИОТЕЛЕВИЗИОННЫХ НАБЛЮДЕНИЙ

В рамках теории единого тела и теории квазинепрерывного дробления проведен анализ кривых блеска совместных радиотелевизионных и фото-радиолокационных метеоров. Определены плотности исследуемых поточных и спорадических метеороидов и показано, что основным механизмом абляции для них является квазинепрерывное дробление.

Кривые блеска и ионизации метеоров содержат ценнейшую информацию не только о физико-динамических характеристиках, но и о процессах, сопровождающих полёт метеороида в земной атмосфере (в частности, о механизме разрушения метеороида). Как известно, кривые блеска и ионизации индивидуальных метеоров получают обычно в результате базисных оптических (фотографических, электронно-оптических, телевизионных) или многостанционных радиолокационных наблюдений.

Однако ввиду того, что при одновременных комплексных оптических и радиолокационных наблюдениях одних и тех же метеоров существенно расширяется объем полученной информации не только о физико-динамических характеристиках метеороидов, но и о процессах их разрушения в земной атмосфере, представляет особый интерес изучение механизма разрушения метеороидов и их природы по данным совмесных радио-оптических наблюдений.

К настоящему времени на основе результатов совместных радио-оптических наблюдений получено свыше ста метеоров различных скоростей и яркостей. В частности, в результате фото-радиолокационных наблюдений в 60-х гг. в Джодрел Бэнке (Англии) [1] и в Гис-сАО (Таджикистан) были получены соответственно 7 метеоров от +3 до -1.8 абсолютной звездной величины и 8 ярких метеоров от -2.1 до -7.2 абсолютной звездной величины [2,3 ]. Так как по радионаблюдениям получали информацию лишь об одной точке на следе метеоров, то позже в 70-х и начале 80-х годов в США и Таджикистане с целью получения распределения свечения и ионизации вдоль следов одних и тех же метеоров были организованы параллельные телевизионные и базисные радиолокационные наблюдения метеоров [4-6]. В результате двухгодичных параллельных наблюдений в США было получено 29 совместных метеоров, а за двухгодичный цикл наблюдений в период действия главных ежегодных мете-

орных потоков в Таджикистане было получено 57 совместных метеоров. Методика редукции наблюдательных данных и данные о траекториях этих метеоров изложены в [4-6].

Анализ кривых блеска и ионизации, а также форма амплитудно-временных характеристик (АВХ) метеоров в [4] и данные об АВХ совместных метеоров, полученные в Душанбе, свидетельствуют о том, что в большинстве случаев в формировании АВХ как ярких, так и слабых совместных метеоров особое место занимает дробление метеорного тела. Влияние дробления на формирование АВХ метеоров проявляется в виде замывания дифракционных картинок, в виде вспышек или флуктуаций на подлете дифракционных картинок и т.д.

Целью настоящей работы являлось выявление механизма разрушения исследуемых метеорных тел и определение их плотностей на основе моделирования кривых блеска как в рамках теории «единого тела», в которой механизмом абляции является испарение поверхностного слоя, так и теории квазинепрерывного дробления метеороида на мельчайшие фрагменты. Выявление механизма разрушения исследуемых метеороидов имеет очень важное значение для решения вопроса об их составе и структуре.

В качестве наблюдательного материала для анализа использовались опубликованные данные о 8 ярких метеорах, полученные в результате совместных фото-радиолокационных наблюдений в Душанбе [2,3], а также данные о слабых метеорах, полученные в результате совместных радиотелевизионных наблюдений в Душанбе [5,6] и США [4]. Из массива данных, пригодных к обработке, оказалось около 60% метеоров, для которых имелась полная кривая блеска, сведения о высоте начала HK, конца следа H,,, абсолютной звездной величине Mm на высоте максимума блеска, массе M0, скорости V, зенитном расстоянии радианта Zr и принадлежности метеора к потоку. Указанные данные для исследуемых совместных фото-радиолокационных и радиотелевизионных метеоров приведены в табл. 1.

Для моделирования кривых блеска совместных метеоров в рамках теории «единого тела», для которых механизмом абляции является испарение вещества с поверхности метеороида, использовались уравнения, полученные Хокинсом и Саутвортом для вычисления стандартной кривой блеска [7]:

I =

Imax (p/pmax)[l " l/3(p/pmax)] ,

где

Imax =2/9 (T Mo V3 Cos Zr)/H,

Pmax = 2Q Mo1/3 So2/3 Cos Zr / ЛA H V2,

здесь: I, Imax, p, pmax - интенсивность свечения и плотность атмосферы в текущей точке и точке максимума яркости на метеорной траектории соответственно; V, Zr - скорость и зенитный угол радианта метеора; М и 5 - масса и плотность метеороида; Н = 6 км - высота

однородной атмосферы; А = 1.5 - коэффициент формы метеороида; 0 = 8 .1010 эрг/г - энергия, необходимая для нагревания и испарения 1 г метеорного вещества; т=т0У - коэффициент светимости, где 1§х0 = -9.3; Л - коэффициент теплопередачи, вычислялся по формуле: Л= Ло+ (1 - Ло)е~км, где Ло = 0.03, к = 0.25 г4 [8]. В результате проведенных расчетов выявлено, что из числа всех анализируемых в данной работе слабых метеоров только у трех метеоров наблюдаемые кривые блеска описываются моделью единого недробяшегося тела.

Таблица 1

Физические характеристики метеороидов по результатам параллельных оптических и радио-

локационных наблюдений

Источник Результаты параллельных радиотелевизионных наблюдений в Таджикистане [6]

№ Укм/с Соє 2Г Нн км Нк км Мт М0.103 г Шг г 5 г/см3 Метеорный поток

2 36.5 0.545 101.3 89.3 1.1 57.4 10-5 2.1 Спорадический

3 59.9 0.826 115.7 98.0 -0.3 84.6 10-/ 1.0 Персеид

6 40.8 0.391 102.7 97.5 1.63 19.4 10-5 1.4 Квадрантид

7 57.9 0.569 107.5 101 1.8 11.4 10-5 1.0 Спорадический

8 46.2 0.469 107.0 95.0 0.0 153.4 5.10-6 1.4 Квадрантид

9 40.1 0.575 96.0 88.5 2.5 10.8 5.10-5 3.9 Квадрантид

10 21.9 0.509 92.0 80.7 0.0 595.0 10-5 1.8 Спорадический

11 41.4 0.719 101.0 95.0 1.6 17.6 10-6 1.8 Квадрантид

12 29.1 0.891 104.0 86.0 -1.6 1171 5.10-7 0.7 Спорадический

13 39.2 0.465 97.5 93.7 2.2 17.2 5.10-6 2.5 8-Акварид

15 43.4 0.431 101.0 90.0 0.5 154.2 10-5 4.2 8-Акварид

19 40.2 0.539 103.0 88.0 0.2 161.4 5.10-6 3.4 8-Акварид

20 30.8 0.725 95.0 88.5 1.7 28.4 10-6 2.1 Спорадический

21 47.7 0.489 103.6 96.2 1.8 22.0 5.10-6 3.4 8-Акварид

22 45.0 0.602 99.0 91.5 1.5 25.8 5.10-6 4.6 8-Акварид

23 42.9 0.629 101.0 90.4 1.0 18.4 5.10-5 4.4 8-Акварид

24 40.8 0.530 101.0 96.0 2.5 11.6 10-6 2.1 8-Акварид

25 41.4 0.603 99.8 92.0 1.0 51.8 5.10-6 3.4 8-Акварид

28 22.6 0.520 97.3 83.0 0.0 287.2 5.10-6 1.4 а - Каприкорнид

29 43.9 0.598 97.8 91.0 1.3 27.8 10-5 3.6 8-Акварид

31 69.4 0.460 116.6 108 -0.2 85.2 10-6 0.5 Орионид

32 60.9 0.678 107.0 102 1.1 12.0 10-6 1.2 Спорадический

34 62.2 0.731 114.0 106 -0.3 23.4 3.10-7 0.5 Орионид

35 38.5 0.609 95.0 90.0 -1.7 223.2 10-7 3.6 Геминид

36 38.0 0.788 103.0 79.0 -0.2 217.8 Исп-е 1.0 Спорадический

38 58.8 0.494 116.0 91.0 -0.2 226.4 10-6 2.5 Персеид

40 57.8 0.625 110.2 104 2.15 6.0 10-6 0.6 Персеид

41 59.9 0.754 109.4 103 0.11 25.8 10-6 0.4 Персеид

42 60.9 0.762 112.0 105 1.0 11.8 5.10-7 0.5 Персеид

43 55.7 0.742 110.9 101 1.5 12.4 5.10-7 1.1 Персеид

44 63.4 0.779 113.5 89.5 -2.2 555.0 10-6 2.5 Персеид

47 58.1 0.814 109.1 103 1.4 8.6 10-6 0.6 Персеид

48 62.2 0.823 111.2 102 0.8 18.6 10-6 0.7 Персеид

49 65.7 0.839 107.4 99.0 1.5 7.6 10-6 2.5 Персеид

52 60.5 0.707 108.0 101 1.1 17.6 10-6 1.4 Спорадический

55 55.0 0.702 107.6 105 1.2 10.2 10-6 0.8 Персеид

57 58.8 0.835 110.0 103 0.4 24.0 10-6 0.5 Персеид

Источник Результаты параллельных фото-радиолокационных наблюдений в Таджикистане [2,3]

661345а 71.5 0.510 119.6 84.8 -9.0 15750 10-6 0.4 Леонид

661345б 71.6 0.581 117.9 94.2 -5.2 1680 10-6 0.8 Леонид

670805 60.4 0.386 102.0 90.1 -2.3 360 Исп-е 1.5 Персеид

670821 60.2 0.672 114.1 83.0 -3.7 1170 5.10-6 1.4 Персеид

670866 61.7 0.588 107.8 93.6 -4.3 1130 5.10-6 1.1 Персеид

670931а 61.0 0.807 112.0 84.0 -6.3 13800 5.10-6 0.4 Персеид

670954 60.8 0.697 113.1 86.6 -5.0 2840 10-5 1.0 Персеид

770954 57.8 0.857 114.0 79.6 -7.2 19800 5.10-8 0.4 Персеид

Источник Результаты параллельных радиотелевизионных наблюдений в США [4]

1 29.4 0.618 94.7 75.7 5.5 1.0 Исп-е 5.0 С. Виргинид

2 10.0 0.745 98.8 93.1 5.8 4.9 5.10-8 0.1 Спорадический

3 13.3 0.612 89.0 79.5 6.2 8.3 10-6 4.0 Спорадический

6 17.2 0.613 96.2 86.7 6.2 5.3 10-6 1.8 Спорадический

7 14.4 0.751 97.1 74.6 6.7 14 5.10-6 0.2 Спорадический

13 28.4 0.738 102.3 90.7 6.6 1.9 5.10-6 1.8 Ю. Таурид

19 28.6 0.652 112.2 96.4 6.4 1.8 5.10-8 0.1 Спорадический

22 20.9 0.734 99.8 83.3 7.4 1.7 10-6 1.0 Спорадический

25 17.2 0.673 92.7 80.1 6.6 7.2 10-6 3.2 Спорадический

26 34.0 0.744 106.6 87.2 6.2 1.4 5.10-6 2.8 Спорадический

28 13.8 0.764 93.3 84.1 5.8 7.0 5.10-7 0.2 Спорадический

29 9.9 0.640 92.1 81.7 6.6 11.0 5.10-7 0.1 Спорадический

Фотографические изображения ярких метеоров, полученные с помощью обтюраторов как на малых камерах, так и длиннофокусных по методу мгновенных экспозиций, свидетельствуют о наличии метеорных хвостов (wake), образование которых связано с квазинепре-рывным отделением от родительского тела мельчайших фрагментов с массами 10"7 - 10"5 г [9,10]. Такие хвосты обнаружены и на снимках слабых метеоров, полученных с помощью телевизионной техники, оснащенной ПЗС матрицами [11], что позволяет утверждать, что и мелкие метеороиды с массами менее 10" г также подвержены дроблению в атмосфере. Это, а также вышеперечисленные факты, дали основание провести анализ наблюдаемых кривых блеска слабых метеоров в рамках модели квазинепрерывного дробления.

Теоретическая кривая блеска метеора с учетом квазинепрерывного дробления рассчитывалась по следующим уравнениям [12]:

о)

2 dt

где выражение для скорости испарения метеорного вещества ёМи /dt имеет вид:

dMu _ „ 0(Рк ~ Р) Vм dmk

dt m0 " dp' dp

Уравнения расхода массы метеороида с1М/с1р’ и фрагмента ёгп^ /с1р имеют вид: dM _ КАНУ2М113 dmk _ АА'НУ2ткиз

dp’ 2QfS23CosZr ’ dp 2 (Q - Qf)Sf2/3CosZr

В уравнения (1-3) входят следующие величины: р - плотность атмосферы на участке метеорной траектории, изменяющаяся по экспоненциальному закону: р= 3.10"9ехр(-Ь/Н) ; рн, рк - плотность атмосферы на высоте начала дробления и прекращения явления метеора соответственно; а = рн + Я1 - плотность атмосферы на высоте исчезновения фрагментов, которые отделились на высоте начала дробления; Ь = рн + Яо - плотность атмосферы на высоте прекращения дробления; р’ - плотность атмосферы на произвольной высоте; Мо, то - начальная масса метеороида и фрагментов; М, тк - масса метеороида и фрагментов на произвольной высоте;. 8, 8^ - плотность метеороида и фрагментов. Для фрагментов коэффициент теплопередачи Л=1, коэффициент формы А=1.21; (^ = 2.Ю10 эрг/г - удельная энергия дробления метеороида, 0(х) - функция Хевисайда: 9(х) = 1 при х>0, 0(х) = 0 при х<0.

Выражения для параметров Я и Ях, определяющих квазинепрерывное дробление, имеют вид:

66(б-бДш//)1/3Со^г ° КАНУ2 1 АА'НУ2

По уравнениям (1-4) были рассчитаны теоретические кривые блеска исследуемых метеоров, и из условия наилучшего совпадения теоретических и наблюдаемых кривых блеска определены объемные плотности индивидуальных метеороидов и массы отделяющихся фрагментов, данные о которых представлены в табл. 1.

Анализ полученных в работе результатов позволяет сделать следующие выводы.

Для 60% исследованных слабых метеоров с массами менее 10- г наблюдаемые кривые свечения хорошо описываются в рамках теории квазинепрерывного дробления метеороида на мельчайшие фрагменты, а три метеора - теорией единого тела, в которой механизмом разрушения является испарение вещества с поверхности метеороида. Это позволяет утверждать, что и для малых метеорных тел основным механизмом разрушения является дробление метеороидов на мельчайшие фрагменты.

Для поточных и спорадических метеоров определены средние объемные плотности метеороидов и массы фрагментов, данные о которых представлены в табл. 2. Полученное распределение по плотностям среди слабых метеоров, яркостью от +1 до +7 абсолютной звездной величины подобно тому, что получено для ярких фотографических метеоров [13,14]. Наиболее плотными среди исследованных слабых метеоров являются

Таблица 2

Плотность поточных метеороидов по результатам параллельных радио-телевизионных и

фото-радиолокационных наблюдений

Поток N S0 ± A S0, г/см3 т0 г Поток N ¿)0±A¿)0 г/см3 m о г

8-Аквариды 9 3.5 ±0.3 10-6 ф 10-5 . Квадрантиды 4 2.1± 0.6 10-6 ф 10-5

Персеиды 17 1.0 ±0.2 5.10-6 ф5.10-8 Каприкорниды 1 1.4 5.10-6

Ориониды 2 0.5 ±0.2 10-6 С. Виргиниды 1 5.0 -

Геминиды 1 3.6 10-6 Ю. Тауриды 1 1.8 5.10-6

Леониды 2 0.6 ±0.2 10-6 Спорадические 18 1.3 ±0.2 10-7 ф 10-5

Геминиды и 5-Аквариды, вещество которых соответствует обыкновенным хондритам, а наименьшая объемная плотность, соответствующая кометному веществу, получена для Орионид и Леонид. Из полученных результатов следует, что по сравнению с плотностями метеороидов из тех же потоков, но фотографического диапазона масс (M > 1 г), мелкие метеороиды более однородны по структуре.

Институт астрофизики Поступило 07.02.2008 г.

АН Республики Таджикистан

ЛИТЕРАТУРА

1. Davies J.G., Greenhow J.S., Hall J.E. - Proc. Roy. Soc., 1959, A253, 1272, pp. 121-129.

2. Бабаджанов П.Б. - ДАН СССР, 1969, т. 184, № 4, с. 800-802.

3. Бабаджанов П.Б., Бибарсов Р.Ш., Гетман В.С., Чеботарев Р.П. Тезисы докладов Всесоюзной конференции по физике и динамике малых тел солнечной системы. Душанбе 1-6 октября 1982, с.31-32.

4. Cook A.F., Forti G., McCrosky R.E., Posen A., Southworth R., Williams J.T. - Evolutionary and physical properties of meteoroids IAU. - Colloquium.Washington, 1973, pp.23-44.

5. Бабаджанов П.Б., Малышев И.Ф., Нарзиев М., Чеботарев Р.П. - Кометы и метеоры, 1985, №37,

с.28-33.

6. Нарзиев М., Малышев И.Ф. - Бюллетень Института астрофизики АН Республики Таджикистан. №85, 2006, с. 35-45.

7. Hawkins G.S., Southworth R.B. - Smithsonian Contr. Astrophys., 1958, №2, pp.349-364.

8. Лебединец В.Н. - Астрон. вестник, 1991, №25, с. 200-207.

9. McCrosky R.E. - Astron. J., 1958, №63, p.97-106.

10. Бабаджанов П.Б., Крамер Е.Н. - 1965, Астрон. журн., №42, с. 660-665.

11. Горбанев Ю.М., Голубеев А.В., Жуков В.В. и др. - Астрон. вестник, 2006, №40, с. 449-464.

12. Бабаджанов П.Б., Новиков Г.Г., Лебединец В.Н., Блохин А.В. - Астрон. вестник, 1988, №22, с. 71-78.

13. Ceplecha Z., Spurny P., Borovicka J., et al. - Astron. & Astrophys., 1993, №279, pp. 615-621.

14. Babadzhanov P.B. - Astron. & Astrophys., 2002, №384, pp. 317-321.

Н.А.Коновалова, М.Нарзиев ОИД БА ОМИЛИ ТАЧ,ЗИЯ ВА ЗИЧЧИ^ОИ МЕТЕОРОИД^О АЗ РУИ МУШО^ИДА^ОИ МУШТАРАКИ ФОТО-РАДИОЛОКАСИОНЙ ВА

РАДИОТЕЛЕВИЗИОНЙ

Дар доираи назарияи классикй ва назарияи бефосилапорашавй качихои дурах-шонии метеорхои муштараки фото-радиолокасионй ва радио-телевизионй тахлил карда шудаанд. Зиччии метеороидхои селхои метеорй ва спорадикй муайян карда шуда, ни-шон дода шудааст, ки механизми асосии тачзияи аксарияти метеороидхо бефосилапорашавй мебошад.

N.A.Konovalova, M.Narziev ABOUT THE MECHANISM OF ABLATION AND BULK DENSITIES OF METEOROIDS ACCORDING TO THE RESULS OF PHOTO-RADAR AND RADAR-TELEVISION OBSERVATIONS

The observed light curves of combined radar-television and photo-radar meteors were studied within the framework of the single body theory and the theory of meteoroid quasi-continuous fragmentation. The bulk densities of the showers and sporadic meteoroids were determined and it is showed that the quasi-continuous fragmentation is the basic mechanism of disintegration of meteoroids.