Оглавление.
2
Введение.........................................................................4
Глава 1. Современное состояние метеорной астрономии............................12
1.1 Метеорные тела как мигрирующие объекты Солнечной системы. Сильные и слабые потоки. Спорадические метеоры. Характеристики. Метеоры из космического мусора..................................................12
1.2 Основные задачи современной метеорной астрономии......................16
1.3 Методы наблюдения метеоров и краткий обзор результатов, полученных разными методами.....................................................20
1.4 Координация деятельности метеорных групп на примере Международной метеорной организации................................................27
1.5 Определение радиантов. Каталоги метеорных потоков.....................30
1.6 Глобальный приток метеорного вещества и его определение из наблюдений... .....................................................................34
1.7 Распределение метеоров но яркости и распределение метеороидов по массам.. .....................................................................37
1.8 Воздействие негравитационных эффектов на метеорные частицы. Определение возраста метеорных потоков и возможные родительские тела 39
Глава 2. Телевизионная техника для наблюдений метеоров.........................43
2.1 Принципы построения телевизионной системы для наблюдений метеоров.. .43
2.2 Полуавтоматические установки для проведения метеорного мониторинга и базисных наблюдений..................................................47
2.3 Телевизионные системы с высокой проницающей силой.....................51
2.4 Оптимизация параметров наблюдательной техники для метеорного мониторинга..........................................................55
2.5 Экспериментальное определение характеристик телевизионных камер 61
Глава 3. Методика обработки метеорных регистраций и основные результаты
исследований..................................................................63
3.1 Концепция Банка данных телевизионных наблюдений метеоров.............63
3
3.2 Верифицированный каталог метеорных потоков и распределение метеоров по потокам...............................................................65
3.3 Результаты телевизионного мониторинга метеоров на ст. Лрхыз (Космотэн)... .....................................................................72
3.4 Распределение метеоров по яркости на основе полученных данных.........82
3.5 Оценка притока метеорного вещества на Землю...........................87
3.6 Проблемы исследования торможения метеоров в атмосфере.................94
3.7 Вычисление параметров движения метеора геометрическим методом.........99
3.8 Обработка телевизионных наблюдений и программное обеспечение для ее автоматизации.......................................................108
Глава 4. Космический мусор как метеорные тела.................................128
4.1 Исследование событий, вызванных сгоранием элементов космического мусора в земной атмосфере..................................................128
4.2 Анализ массива наблюдений 2006 г. на предмет наличия элементов
космического мусора......................................................129
Заключение....................................................................133
Литература....................................................................137
Приложение 1. Таблицы.........................................................145
Приложение 2. Сокращения......................................................150
Введение.
4
Общая характеристика работы.
Метеоры как астрономическое явление изучаются примерно с начала XVII века. До этого бытовало мнение, основанное на авторитете Аристотеля о том, что метеоры - чисто атмосферное явление, происходящее от «воспламенения земных испарений». Только обнаружение метеоритов, упавших с неба на глазах очевидцев, заставило научную общественность признать, что в космосе помимо звезд и планет существуют и другие тела.
Сейчас твердо установлено, что метеоры представляют собой световые явления, сопровождающие процесс столкновения космических частиц небольшого размера с атмосферой нашей планеты. Главная трудность научного исследования метеоров (по крайней мере, в видимом диапазоне) заключается в относительной редкости этих явлений - обычно в течение ночи наблюдается от нескольких единиц до нескольких десятков метеоров, а также очень малая яркость и краткость явления. При этом наблюдатель не знает, в какой момент времени и в каком участке неба вспыхнет очередной метеор. В течение трех столетий единственным методом регистрации метеоров были визуальные наблюдения, и только в XX веке на смену им пришли сначала фотографические, затем радиолокационные, а в последние два десятилетия - телевизионные методы.
Визуальные наблюдения отягощены субъективными факторами, а яркость уверенно замечаемых глазом метеоров ограничивается +4т. С уменьшением яркости человеческий глаз замечает все меньшую часть метеоров даже в узкой области наблюдения, и предел возможности визуальных методов не превышает +6т. Методы радиолокации позволяют не только регистрировать метеоры до +16ш, но и производить наблюдения при любых погодных условиях. Однако разрешающая способность локаторов и точность угломерных измерений весьма низкие. Фотографические наблюдения носят объективный характер, но чувствительность фотоматериалов до заката астрофотографии не позволила регистрировать метеоры слабее +Зт.
Таким образом, до начала XXI века научные исследования метеоров основывались или на огромном массиве визуальных наблюдений, при которых регистрация метеоров велась с низкой координатной точностью, или на сравнительно небольшом материале фотографических регистраций. Эти исследования показали существование в космосе потоков метеорных тел, движущихся по очень близким орбитам, и современная метеорная астрономия ставит задачу изучения свойств этих потоков, а также физических характеристик составляющих их частиц. Поскольку каждое метеорное явление является неповторимым, и результаты его исследования не допускают его повторного наблюдения, накопление объективных регистраций метеорных явлений оказывается определяющим моментом при изучении метеоров. При этом важно не только получить достоверные данные о движении и свойствах метеорной частицы, но и точно определит!, ее принадлежность к одному из метеорных потоков, чтобы иметь возможность исследовать его свойства как ансамбля принадлежащих ему частиц.
Теория движения метеорных тел с космическими скоростями в атмосфере более или менее развита только для крупных тел, поскольку она основана на надежных объективных регистрациях их полета с высоким временным разрешением, достигнут!,гм благодаря высокой яркости болидных явлений. Развитие теории сгорания метеоров малой массы сдерживается отсутствием наблюдательного материала надлежащего качества, относящегося к слабым метеорам.
Настоящая диссертация посвящена решению совокупности проблем как накопления наблюдательных данных о метеорных явлениях, получаемых объективными методами, так и предварительной обработки получаемых метеорных регистраций. Также затрагивается ряд проблем метеорной астрономии, решение которых возможно только с использованием определенного типа наблюдательной аппаратуры, и выполнен анализ некоторых наблюдательных данных, полученных в процессе обработки по разработанной методике.
6
Актуальность темы.
Накопление наблюдательных регистраций метеоров малой яркости с высоким временным разрешением является первоочередной задачей, призванной служить экспериментальной базой для построения и проверки теории метеорных явлений. При этом регистрации должны быть с большой степенью точности соотнесены с метеорными потокам, чтобы при анализе их свойств исключить метеоры из других потоков и уменьшить спорадическую составляющую. Отсюда вытекает актуальность разработки алгоритма определения принадлежности зарегистрированных метеоров к анализируемым потокам.
15 процессе подобного отождествления возникает ряд важных вопросов, касающихся непосредственно существования метеорных потоков, с которыми производится отождествление, т.к. далеко не все потоки, указанные в тех или иньтх каталогах, в настоящее время существуют, а радианты существующих потоков не всегда являются достоверными. Поэтому крайне необходима верификация всех (по возможности) действующих метеорных потоков, наблюдаемых в северном полушарии, и угочнение координатных характеристик наблюдаемых потоков.
В мировой практике регистрации и изучения метеорных явления обычно принято представлять широким кругам только конечные результаты исследований, что не позволяет другим исследователям проводить их перепроверку или анализировать полученный материал с других позиций. Поэтому в данной работе предпринята попытка предоставить научному сообществу не только открытый доступ к результатам обработки наших регистраций и Верифицированному каталогу метеорных потоков, но и к исходному наблюдательному материалу, а также к программному обеспечению, разработанному для обработки данного материала.
Ввиду того, что процесс сгорания метеороидов в атмосфере Земли аналогичен процессу сгорания частиц космического мусора, существует возможность регистрации последнего типа явлений, что особенно актуально в конспекте обеспечения безопасности запуска и безаварийной работы космических аппаратов. В то время как исследование засорения околоземного космического пространства основано на использовании различных
7
компьютерных моделей и надежно подтверждается только в области крупноразмерных элементов космического мусора, его малоразмерная фракция почти не исследуется обычными средствами наблюдения. Эта лакуна тоже может быть закрыта при проведении метеорных наблюдений.
Цели работы.
1. Сформулировать и обосновать требования к наблюдательной аппаратуре для получения объективных регистраций метеорных явлений на предельном уровне проницающей силы и углового разрешения современной наблюдательной техники.
2. Составить на основе прямых телевизионных наблюдений высокой координатной и временной точности и охватывающих метеоры до +8"',5 включительно доступный для других исследователей Банк данных метеорных регистраций.
3. Разработать критерии и методы программного выявления принадлежности метеоров к потокам, а также определения координат радиантов потоков.
4. Составить Верифицированный каталог метеорных потоков, характеристики которых получили подтверждения объективными телевизионными регистрациями.
5. Рассмотреть возможность исследования событий, вызванных сгоранием элементов космического мусора в атмосфере Земли, с помощью используемой наблюдательной техники.
Научная новизна работы.
• Впервые реализованы массовые наблюдения метеоров до +8,5т включительно с временным разрешением 129 мсек и средней координатной точностью регистраций до 2' дуги.
• Составлен Байк данных метеорных регистраций, включающий 3616 метеорных событий в период с июля по декабрь 2006 г.
• Предложен алгоритм и составлено программное обеспечение для определения принадлежности метеоров к анализируемым потокам, позволившие
8
в 2-4 раза повысить уровень отождествления метеоров по сравнению с мировой практикой.
• Разработан метод геометрического определения индивидуального радианта метеора по данным односторонних наблюдений телевизионным методом.
• Рассмотрена новая методика объективной оценки Индекса метеорной активности, использующая весь массив наблюдений метеоров, отождествленных с потоками, и позволяющая уточнить темп притока метеорного вещества на Землю.
• Впервые составлен Верифицированный каталог действующих во втором полугодии метеорных потоков, подтвержденных высокоточными телевизионными регистрациями.
• Впервые получены регистрации фактов сгорания элементов искусственного космического мусора субсантимстрового размера и предложен метод исследования прежде ненаблюдаемой компоненты космического мусора.
Практическая ценность работы.
Получен обширный наблюдательный материал, беспрецедентный по точности и проницающей силе, на основе которого могут быть выполнены исследования миграции малоразмерного вещества Солнечной системы. В частности, заложена практическая основа для создания новой отечественной модели метеорного вещества и развитие «ГОСТ 25645/128-85 — метеорное вещество».
Получены экспериментальные данные, на основании которых могут быть исследованы риски поражения космических аппаратов в околоземном пространстве частицами природного и искусственного космического мусора.
На основе накопленного материала могут быть начаты теоретические исследования процессов сгорания маломассивных частиц в разреженной атмосфере на гинерзвуковых скоростях.
Разработан пакет программ для проведения обработки телевизионных регистраций и уточнения характеристик метеорных потоков, доступный
широкому кругу пользователей и прошедший тестирование на анализе полученного наблюдательного материала.
Апробация результатов работы.
Результаты работы докладывались автором и обсуждались на научных семинарах ИНАСАН, ИДГ РАИ, САО РАН, ГАО РАН, НИИМ МГУ, ГАО НАНУ (Киев, Украина), на конкурсах молодых ученых ИНАСАН (2006 г., 2008 г., 2009 г., 2010 г.), а также были представлены на следующих российских и международных конференциях:
1. The 10Ih Open Young Scientists’ Conference on Astronomy and Space Physics, April 22-26, 2003. Kiyv, Ukraine.
2. Международная конференция «Околоземная Астрономия - 2003», 8-13 сентября 2003 г. Тсрскол (КБР), Россия.
3. Всероссийская астрономическая конференция «Горизонты Вселенной», 3-10 июня 2004 г. Москва, Россия.
4. The 35tn COSPAR Scientific Assembly, July 18-25, 2004. Paris, France.
5. Восьмой съезд Международной общественной организации Астрономическое общество и Международного симпозиума «Астрономия -2005: Состояние и перспективы развития», 1-6 июня 2005 г. Москва, Россия.
6. IAU Symposium 229: Asteroids, Comets, Meteors, August 7-12, 2005. Rio de Janeiro, Brazil.
7. Международная конференция «Околоземная Астрономия - 2005», 19-24 сентября 2005 г. Казань, Россия.
8. Международная научная конференция «Наблюдение околоземных космических объектов», 23-25 января 2007 г. Звенигород, Россия.
9. 2007 Planetary Defense Conference, March 5-8,2007. Washington, USA.
10. Международная конференция «Околоземная Астрономия - 2007», 3-7 сентября 2007 г. Казань, Россия.
11. International Conference «The Solar System Bodies: from Optics to Geology», May 26-29, 2008. Kharkiv, Ukraine.
12. Международная конференция «100 лет Тунгусскому феномену: прошлое, настоящее, будущее», 26-28 июня 2008 г. Москва, Россия.
10
13. Memorial International Conference «САММЛС-2008», September 28 -October 3, 2008. Vinnitsa, Ukraine.
14. Международная конференция «Near Earth Astronomy», 22-26 августа 2009 г. Казань, Россия.
15. Сорок четвертые научные »пения памяти К.Э. Циолковского, 15-17 сентября 2009 г. Калуга, Россия.
16. Всероссийская астрономическая конференция «От эпохи Галилея до наших дней», 12-19 сентября 2010 г. Нижний Архыз, Россия.
Публикации основных результатов диссертации и личный вклад автора.
Представленные в диссертации материалы опубликованы в 29 научных работах, из них 8 работ опубликовано в рецензируемых журналах, среди которых 5 входят в перечень ВАК РФ.
Личный вклад автора состоит в анализе научных задач метеорной астрономии с точки зрения возможностей современной наблюдательной техники для их решения, а также в формулировке требований к научной аппаратуре для метеорных наблюдений. Автор лично принимал участие в проведении наблюдений и обработке полученных регистраций. Им осуществлялась разработка методики обработки телевизионных регистраций метеорных явлений, в частности создание математического аппарата и алгоритмов, написание текстов программ, их тестирование и адаптация; проведение численных расчетов, обработка и анализ экспериментальных данных; исследование характеристик применяемой наблюдательной техники; создание Банка данных метеорных регистраций и построение Верифицированного каталога метеорных потоков; подготовка текстов публикаций и докладов, а также переписка с редакциями журналов и рецензентами.
Структура н объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 150 страницах и включает в себя 11 таблиц, 67 иллюстраций и 112 библиографических ссылок. Таблицы и иллюстрации имеют
11
дискретную нумерацию, включающую номер главы, номер параграфа и номер таблицы (рисунка) в нем, при атом иллюстрации приводятся по ходу изложения, а таблицы приведены в приложении.
Краткое содержание работы.
В первой главе рассматриваются основные проблемы и текущие вопросы метеорной астрономии, методы наблюдения метеоров и результаты, полученные разными методами. Дается краткое описание деятельности метеорных обществ, приводятся описания каталогов метеорных потоков, составленных разными исследователями, и формулируется ряд задач, решению которых посвящена данная диссертация.
Во второй главе излагаются принципы построения телевизионных систем для наблюдения метеоров и приводятся экспериментальные характеристики камер, применяемых для метеорного мониторинга в ИНАСАН. Рассматривается вопрос об оптимизации параметров наблюдательной техники посредством согласования оптики, ПЗС-приемников и полей зрения нескольких камер, работающих в базисном режиме.
В третьей главе приводятся результаты телевизионного мониторинга метеорных явлении в ИНЛСАН, описываются построенные на их основе Банк данных метеорных регистраций и Верифицированный каталог метеорных потоков. Здесь же даются обоснования для оценки притока метеорного вещества на Землю, исследуются некоторые вопросы, связанные с динамикой метеоров в атмосфере Земли, описываются разработанные алгоритмы и программное обеспечение для обработки телевизионных регистраций метеоров.
В четвертой главе исследуется возможность верификации моделей космического мусора в области малоразмерных частиц путем прямого изучения таких частиц в атмосфере Земли. Приводятся экспериментальные данные регистрации сгорания частиц искусственного происхождения в атмосфере Земли и методика их выделения на фоне метеоров естественного происхождения.
В заключении обсуждаются основные результаты работы, формулируются положения, выносимые на защиту, и обозначаются перспективы дальнейшей работы.
12
Глава 1. Современное состояние метеорной астрономии.
§ 1. Метеорные тела как мигрирующие объекты Солнечной системы.
Сильные и слабые потоки. Спорадические метеоры. Характеристики.
Метеоры из космического мусора.
Словом «метеор» обозначают явления, наблюдаемые при попадании в атмосферу Земли твердых частиц из космоса. В узком смысле метеор - это светящаяся полоса ионизированного воздуха вдоль траектории такой частицы; часто этим словом обозначают и саму частицу, что не совсем корректно. Частица, вызывающая явление метеора, называется метеороидом. В более строгой форме метеороидом называется твердое небесное тело, движущееся в межпланетном пространстве и занимающее промежуточное положение между межпланетной пылью и астероидом, которое при взаимодействии с атмосферой Земли (или иной планеты) вызывает явление метеора.
Совокупность метеороидов, обращающихся вокруг Солнца по орбитам, которые мо!уг быть как почти круговыми, так и сильно эллиптическими, образует метеорное вещество в межпланетном пространстве; метеороиды, движущиеся по общей орбите, образуют метеорный рой [2, 18]. Орбиты метеорных роев занимают весь объем межпланетного пространства, но наблюдать мы можем только те метеороиды, орбиты которых пересекают орбиту Земли. При этом наблюдаемые метеоры по своим свойствам могут репрезентативно представлять и все ненаблюдаемые метеороидные тела Солнечной системы.
Метеорные рои движугся в космическом пространстве по стабильным орбитам, которые Земля пересекает ежегодно примерно в одни и те же даты. Исли частицы потока распределены вдоль всей его орбиты, то метеоры этого потока будут наблюдаться ежегодно. Некоторые метеорные потоки довольно широки, и Земля пересекает их несколько суток, так что один такой поток может наблюдаться в течение нескольких дней или даже недель [67]. В то же время некоторые молодые метеорные потоки наблюдаются не при каждом пересечении
13
Землей орбиты потока, что обусловлено уже структурой роя - в молодом метеорном рое частицы сосредоточены в ограниченном объеме пространства, образуя сгущение на определенных участках орбиты. При встрече с Землей такие компактные рои проявляются в виде кратковременных вспышек метеорной активности с очень частым появлением метеоров (до нескольких сотен в час) — «метеорных дождей».
Неравномерностью распределения метеороидов в орбите потока также объясняются вариации активности метеорных потоков в различные годы [65]. Кроме этого, есть основания полагать, что существуют мелкомасштабные неоднородности распределения частиц в потоках, по крайней мере, на характерных расстояниях порядка нескольких сотен километров [25]. Возможность наблюдения того или иного потока также зависит от направления прихода частиц к Земле: если радиант потока расположен высоко на северном полушарии небесной сферы, то наблюдатель, находящийся в южном полушарии Земли, наблюдать этот поток не сможет' (и наоборот).
С течением времени под действием солнечного излучения, эффектов Пойнт иига-Робертсона и Ярковского Радзиевского метеорный рой растягивается вдоль орбиты, расширяется и, в конечном счете, распадается [49, 77]. Кроме того, под влиянием планет, особенно Юпитера, узкие метеорные потоки могут изменять свои орбиты, вследствие чего потоки становятся ненаблюдаемыми с Земли [33, 72].
Другой механизм «исчезновения» метеорных потоков, наблюдаемых с Земли, объясняется следующим. Земля, регулярно пересекая орбиты некоторых потоков, постепенно «вычерпывает» вещество из них. Поэтому малочисленные метеоры в старых потоках часто относят к спорадическим, то есть не принадлежащим' ни к каким потокам. Возможно, существенная часть наблюдаемых (в т.ч. и нами) спорадических метеоров принадлежат к таким потокам, многие из которых даже не известны. Следовательно, для изучения миграции тел в Солнечной системе необходимо выявлять как крупные потоки, так и потоки, имеющие малое количество частиц в своем составе.
Исследовать полностью какой-либо метеорный поток, в особенности с небольшим количеством частиц, не всегда представляется возможным при
- Київ+380960830922