РОЗДІЛ 2
СТРУКТУРА ПОВЕРХНІ КОМЕТНИХ ЯДЕР
2.1 Загальні уявлення про утворення кратерів
Предмет цієї глави - можливі механізми утворення кратерів, що спостерігаються як активні зони кометного ядра. Можна уявити різні шляхи кратеризації кометного ядра: некатастрофічні еволюційні процеси та деякі вибухові механізми. Некатастрофічна кратеризація можлива, коли різні ділянки ядра мають різний вміст та склад пилу: заглиблення утворюються в тих місцях, де немає достатньо крупної фракції пилу і випаровування йде без екранування криги порошинками. Катастрофічні вибухові процеси можуть бути або екзогенними (зіткнення з метеороїдами), або ж ендогенними (швидка сублімація деякого легколетючого неводяного льоду (напр., СО або СО2), тепловий вибух внаслідок швидкої кристалізації аморфного водяного льоду [62] або рекомбінації гідратованих іонів [7]).
Досі не має впевненості, чи є кратерна структура загальною рисою всіх кометних ядер. Відповідь на це питання можна шукати у зрозумінні шляхів формування кратерів на поверхні. На сьогодні кількість публікацій на цю тему невелика [63-65], і в механізмі утворення активних областей залишається ще багато нез'ясованого. У роботі [61] розглядаються теоретичні моделі кратерів на поверхні кометного ядра побудовані на основі досліджень топографічного майбутнього кратерів за умови хімічної однорідності поверхні. Однак для побудови більш реалістичної моделі ядра, необхідно врахувати той факт, що ядро неоднорідне, але, на жаль, відомої інформації про склад ядра дуже мало. Всі наявні дані базуються на інформації отриманій завдяки космічним місіям до комет Галлея та Бореллі, а також на даних, отриманих в ході лабораторного моделювання процесу сублімації запиленого льоду.
2.2 Утворення кратерів за рахунок зіткнення з метеороїдами
Земля, Місяць, Марс та інші тіла сонячної системи бомбардуються метеороїдними тілами. Зіткнення тіл Сонячної системи з метеороїдами вивчається багато років. Кометні ядра значно менші за розмірами, ніж супутники планет чи астероїди, проте за даними апаратів ВЕГА та GIOTTO на ядрі комети Галлея було щонайменше 17 кратерів.
Розглянемо питання: чи може метеоритний механізм забезпечити наявність на поверхні ядра багатьох кратерів одночасно. Як відправний пункт беремо результати Фернандеса [66], який оцінив час формування кратерів різного діаметру при кожному проходженні перигелію для комет Галлея та Аренда-Ригo та створив модель просторового розподілу метеороїдів.
Фернандес користувався напівемпіричним зв'язком між енергією тіла E та діаметром кратера D у вигляді
,
де Kimp=1.3·10-2 м/Дж1/3. Згідно з оцінками Фернандеса ймовірність утворення за час одного оберту комети навколо Сонця кратера діаметром від кількох десятків до 200 метрів лежить в межах від 0.01 (для великих кратерів) до 0.1 і більше (для малих кратерів). Чим менший діаметр кратера, тим більше шансів, що він утворився в наслідок зіткнення з метеороїдом. Така ситуація цілком прогнозована з аналізу розподілу метеорних тіл за масами. Зіткнення метеорних тіл із іншими тілами Сонячної системи вивчали також Стил та Елфорд [67].
Ймовірність утворення ncr кратерів на поверхні кометного ядра при зіткненні з метеороїдними тілами, за Nrev обертів навколо Сонця можна розрахувати за формулою розподілу Пуассона [66]:
де ? - частота утворення кратерів на поверхні ядра. На малюнках 2.1 та 2.2 показана ця функція для двох частот утворення 0.01 та 0.1 частка кратерів за один оберт комети навколо Сонця [68].
Рис. 2.1. Ймовірність утворення ncr кратерів з різним часом життя, при частоті утворення ? = 0.01 за один оберт комети. Числа біля кривих - значення ncr. N - час життя кратерів на поверхні кометного ядра.
Рис. 2.2. Ймовірність утворення ncr кратерів з різним часом життя, при частоті утворення ? = 0.1 за один оберт комети. N - час життя кратерів на поверхні кометного ядра.
Якби кратери, що утворилися на поверхні кометного ядра, існували практично необмежений час, то поверхня кометних ядер була б схожа на поверхні астероїдів чи супутників планет. Насправді, кратер на кометному ядрі - це отвір у поверхневому пиловому шарі, якій утворився за рахунок утримання на поверхні найкрупніших фракцій пилу. Після утворення кратера його дно стає джерелом газопилового потоку, а відтак може знов вкритися пилом, тобто активна область кометного ядра має обмежену тривалість життя. Ясно, що кількість активних областей, які можуть одночасно існувати на ядрі визначається балансом між кратероутворенням та вторинним зникненням кратерів.
Еволюція кометних ядер описується двома рівняннями [7]. Перше рівняння описує зміну радіуса ядра
, (2.1)
де константа 86400 - це кількість секунд в добі, kg = 0.01720209895 рад/добу - константа Гауса, mH2O - маса молекули води, Z1 - газопродуктивнiсть одиничної площі на відстані 1 а.о. від Сонця, n - показник ступеню в емпіричній геліоцентричній залежності газопродуктивності Z=Z1/rnc, ?nucl - густина ядра, fv - об'ємний вміст пилу, ? - частка поверхні, заекранована пилом, e, q, ? - ексцентриситет, перигелійна відстань та істинна аномалія комети, відповідно.
Перше рівняння (2.1) добре інтегрується у випадку, коли геліоцентрична відстань rcom < 5 a.o., на таких відстанях n?2 і температура водяного льоду контролюється сублімацією. В цьому випадку тепловою радіацією як і кондуктивним тепловим потоком, спрямованим вглиб кометного ядра, можна знехтувати. На великих геліоцентричних відстанях водяна крига перебуває у променистій рівновазі, тобто
),
де Т1 - температура при геліоцентричній відстані rcom=1 a.o., В - константа для апроксимації залежності тиску насиченої пари від температури. Враховуючи, що , маємо вираз для покажчика n [8]:
де L - енергія сублімації однієї молекули.
Друге еволюційне рівняння описує вікове запилення кометної поверхні:
де К - коефіцієнт, який розраховується з функції розподілу частинок за розмірами, acr -критичний радіус найбільшої порошинки, яка ще виноситься газовим