Околопланетные пылевые комплексы

Содержание
Введение
1 Магнитофотогравитационная небесная механика
1.1 Формулировка и классификация задач ................................
1.2 Магнитофотогравитационная плоская круговая ограниченная задача трех тел...............................................................
1.2.1 Варианты задачи и история вопроса...........................
1.2.2 Формулировка задачи.........................................
1.2.3 Переменные и параметры возмущающих сил .....................
1.2.4 Уравнения движения .........................................
1.3 Движение вдали от планеты..........................................
1.3.1 Возмущения от светового давления (ПР-задача).............
1.3.2 Возмущения от Солнца (ЯТ-задача)............................
1.3.3 Световое давление и возмущения от Солнца (ПР+ЯТ-задача) . .
1.4 Движение вблизи планеты............................................
1.4.1 Возмущения от сжатия планеты (42-задача)....................
1.4.2 Возмущения от силы Лоренца (ЕМ-задача) .....................
1.4.3 Возмущения от сжатия планеты и силы Лоренца (Л2+ЕМ-залача)
1.4.4 Возмущения от светового давления и сжатия (11Р+32-задача) . .
1.4.5 Возмущения от световою давления и силы Лоренца (ВР-( ЕМ-задача) ..........................................................
1.4.6 Световое давление, сжатие и сила Лоренца (ИР+.12-(-ЕМ-задача)
1.5 Движение? в промежуточной зоне.....................................
1.5.1 Сжатие планеты и притяжение Солнца (Л 2+5Т-задача)..........
1.5.2 Общий случай (8Т+НР+.|2+ЕМ-задача)..........................
1.6 Приложение к динамике спутников-баллонов...........................
2 Ударный механизм генерации пыли
2.1 Сведения о кратерирующем сверхскоростном ударе....................
2.1.1 Ударные эксперименты........................................
2.1.2 Характеристический выход и распределение выбросов но массе .
6
18
18
21
21
22
23
25
28
29
31
33
34
34
35
35
36
41
41
45
46
48
48
53
54
54
55
2
2.1.3 Распределение выбросов по скоростям ............................. 56
2.2 Модель ударного выброса вещества с поверхности тела.................. 57
2.2.1 Ударные выбросы, производимые микрометеороидами.................. 58
2.2.2 Ударные выбросы, производимые крупными метеоритами .... 59
2.2.3 Сравнительный анализ выбросов, производимых ударами метеоритов и микрометеороидои............................................... 59
2.3 Альтернативный метод расчета ударного выброса вещества................ 60
Пылевые рои вокруг спутников планет 64
3.1 Пылевые облака вокруг Фобоса и Деймоса................................ 65
3.1.1 Постановка задачи................................................ 65
3.1.2 Динамическая модель.............................................. 66
3.1.3 Статис тика выбрасываемых частиц и форма пылевых облаков . 67
3.1.4 Равновесная пространственная плотность пылевых облаков ... 73
3.1.5 Вариации плотности............................................... 78
3.2 Пылевое облако вокруг Ганимеда........................................ 79
3.2.1 Данные пылевого детектора КА Галилео............................. 79
3.2.2 Модель пылевого облака Ганимеда.................................. 84
3.2.3 Сравнение теории с наблюдениями.................................. 88
3.2.4 Обсуждение результатов........................................... 91
Пылевые пояса Марса 94
4.1 История вопроса....................................................... 94
4.2 Динамика и относи тельное распределение плотности частиц.............. 97
4.2.1 Динамика пылинки................................................. 97
4.2.2 От одной пылинки к ансамблю частиц............................... 98
4.2.3 Ансамбль частиц: геометрия торов................................ 101
4.2.4 Дискретное представление плотности пыли......................... 101
4.2.5 Свойства пылевых торов.......................................... 109
4.3 Абсолютное распределение плотности частиц............................ 110
4.3.1 Равновесное число частиц в торс ................................ 110
4.3.2 Сценарий межпланетных ударников................................. 110
4.3.3 Сценарий еамоподдержки.......................................... 116
4.3.4 Сравнение с результатами других авторов......................... 118
4.4 Обсуждение [»езультатов.............................................. 119
Галилеево кольцо Юпитера 122
5.1 Введение ............................................................ 122
5.2 Модель .............................................................. 123
5.2.1 Выброс вещества с поверхностей галилеевых спутников..............123
5.2.2 Силы, действующие на пылинки.................................. 125
5.2.3 Движение меньших частиц: аналитическая теория................. 127
5.2.4 Движение больших частин: полуаналитичсскос исследование . . 132
5.2.5 Численная модель кольца....................................... 133
5.2.0 Пространственное распределение пыли........................... 130
5.3 Данные пылевого детектора КА Галилео................................. 140
5.4 Сравнение модели и данных Галилео.................................... 143
5.5 Обсуждение результатов............................................... 140
6 Кольцо Б Сатурна 149
6.1 Введение ............................................................ 119
6.2 Наблюдения и предшествующие модели .................................. 151
0.2.1 Наблюдения ................................................... 151
6.2.2 Модели........................................................ 152
0.2.3 Сравнение моделей и наблюдений................................ 154
0.3 Модели сил, действующих на пылинку................................... 155
0.3.1 Сжатие планеты................................................ 155
6.3.2 Световое давление Солнца...................................... 155
6.3.3 Сила Лоренца ................................................. 150
6.3.4 Сощхттление плазмы............................................ 157
6.3.5 Численные оценки сил ......................................... 157
0.4 Динамика пылинок .................................................... 159
6.4.1 Методика исследования уравнений движения ..................... 159
6.4.2 Сжатие планеты, световое давление и сила Лоренца в дипольиом
приближении.................................................... 163
6.4.3 Сила Ло[И‘нца в квадрулольном и октуполыюм приближении . . 104
0.4.4 Сопротивление плазмы.......................................... 164
6.5 Модель кольца Б...................................................... 105
6.5.1 Интервал интегрирования уравнений движения.................... 165
6.5.2 Методика построения пространственных слепков компонент
кольца Б ...................................................... 166
6.5.3 Пространственные слепки компонент кольца Энцелада............. 107
6.5.4 Профили оптической толщины компонент кольца Е................. 107
6.6 Обсуждение результатов............................................... 171
7 Пыль во внешней системе Сатурна 174
7.1 Введение ............................................................ 174
7.2 Техника моделирования................................................ 170
7.2.1 Модель сил................................................... .170
4
7.2.2 Численное интегрирование....................................... 178
7.2.3 Входные и выходные данные...................................... 178
7.3 Динамика частиц, выбрасываемых с Гипериона........................... 180
7.3.1 Poj і ь резон аиса с Титаном.................................. 180
7.3.2 Заперты ли частицы в резонансе изначально?..................... 180
7.3.3 Могут ли частипы выйти из резонанса?........................... 181
7.3.4 Что происходит с мелкими частицами?............................ 182
7.4 Судьба частиц, выброшенных с Гипериона............................... 182
7.4.1 100 м км-части піл............................................. 182
7.4.2 10 мкм-частицы................................................. 181
7.4.3 2 мкм- и меньшие частицы....................................... 186
7.5 Пространственное распределение пыли.................................. 186
7.5.1 Распределение пыли относительно Гипериона...................... 186
7.5.2 Распределение пыли относительно Сатурна........................ 186
7.5.3 Распределение пыли относительно Титана......................... 187
7.5.4 Абсолютная концентрация частиц................................. 189
7.6 Гитан как коллектор частиц............................................ 192
7.6.1 Приток пыли на Титан........................................... 192
7.6.2 Влияние на атмосферу Титана.................................... 194
7.7 Выводы............................................................... 196
8 Пылевое облако в системе Плутон-Харон 198
8.1 Введение ............................................................ 198
8.2 Источники пыли....................................................... 199
8.3 Динамика и распределение пыли........................................ 201
8.4 Обсуждение результатов............................................... 208
Заключение 211
Библиография 213
Введение
Предметом исследования диссертации являются околопланетные пылевые комплексы. Оба эпитета нуждаются в пояснении. Слова “пыль” и “пылевой” означают, что изучаются малые! твердые теля с размерами много большими молекулярных, но много меньшими метеоритных иными словами, не настолько большие, чтобы рассматриваться как индивидуальные астрономические объекты. Физически, первое ограничение! гарантирует, что энергия к импульс, переносимые пылинкой, значительно превосходят энергию и импульс одного фотона или иона. Тем самым одиночный акт взаимодействия фотона или частицы плазмы с пылинкой не ведет к радикальному изменению ее состояния, и можно говорить об эволюции пылинки как о детерминированном процессе. Верхнее же ограничение на размеры, пусть и не столь определенное. указывает на то, что основной предмет исследования -• не одиночная пылинка, а комплекс, образуемый многими частицами, и что подчас коллективные процессы (например, взаимные столкновения) являются существенными. Практически, мы будем рассматривать частицы с размерами примерно от 0.01 мкм до миллиметра. Слово “околопланетный” указывает на обьекты, которые состоят из пылинок, движущихся внутри сферы действия планеты. Это - главным образом пылевые кольца планет и пылевые “атмосферы” спутников. Исключаются из рассмотрения пылевые торы вокруг орбит планет, например предсказан нос теоретически и обнаруженное наблю-
дательно резонансное кольцо вокруг орбиты Земли (Jackson and Zook 1989, Dermott et al. 1994).
Актуальность темы
Изучение околопланетных пылевых комплексов молодая область исследований, ровесница космической эры. Совпадение не случайное. Интеле к проблем«* появился впервые с обнаружением околоземной пыли детекторами на борту первых ИСЗ (Мороз 1962, Рускол 1962, Назарова 1962). Позднее именно с борта космических аппаратов была открыта большая часть изучаемых объектов таких, как паутинные кольца и пылевое гало Юпитера (Burns et al., 1999), пылевые облака вокруг галилеевых спутников той же планеты (Kruger et al., 1999(1), кольцо G Сатурна (Throop and Esposito, 1998), пылевые компоненты колец Урана и Нептуна (Colwell, 1989; Colwell and Esposito, 1990b,а). Контактная регистрация пыли и наблюдения рассеянного и отраженного пылью солнечного излучения приборами, установленными на космических аппаратах, доставляют основную наблюдательную информацию о таких объектах. 15
6
свою очередь, знание пылевой среды около планет имеет большое практическое значение при планировании новых космических экспедиций. Последнего обстоятельства было бы уже достаточно, чтобы признать тему диссертации актуальной.
Но актуальность темы далеко не исчерпывается нуждами космонавтики. Рассматриваемая область исследований, но существу, междисциплинарна. Она содержит но-бесиомохани веские аспекты (динамика пылинок), астрофизические (взаимодействие пыли с излучением, плазмой, магнитными полями; физико-химические свойства и морфология пылинок), планетологические (реструктурирование поверхностей спутников ударами пылевых частиц), тесно связана с теорией удара (высокоскоростные разрушающие и кратерирующие столкновения). В процессе исследований в последние годы открылись неожиданные взаимосвязи между вышеперечисленными науками. В каждую из них исследования околопланетных пылевых комплексов привносят новые задачи и открывают новые пути решения задач известных.
Гак, несколько лет назад были проведены первые успешные наблюдения крупных (размером в десятки мкм) межзвездных пылинок с поверхности Земли методами метеорной радиоастрономии (Taylor et al. 1990, Baggaley 2000). Межзвездная пыль, важнейший носитель астрофизической информации один из компонентов пылевой оболочки Земли! Очевидно, что возможность изучать межзвездное вещество непосредственно на Земле или хотя бы с. борта ИСЗ (проект Cosmic Dune, см. http://www.mpi-h<I.mpg.<lo/galileo/~gruon, одним из участников которого является диссертант) высо-коактуальиа для астрофизики.
Другой пример. Обобщение классической задачи N тел на случай присутствия новых типов возмущающих сил например, силы Лоренца, действующей на пылинки, поскольку при движении в плазменной среде они заряжаются электростатически приводит к появлению новых задач небесной механики (Hamilton and Krivov 1996, Krivov et al. 1996b). В исследовании этих задач сделаны пока лишь первые шаги, но уже ясно, что речь идет о широком поле приложения усилий небесных механиков.
Еще один пример. Ударные процессы, действующие во Вселенной (например, взаимные столкновения планетезималей в формирующихся планетных системах) происходят в условиях, которые пока не удается воспроизвести в лаборатории. 15 частности, скорости столкновений в реальных астрофизических системах зачастую больше, чем те, которых удается достичь в экспериментальных установках. 15 последние годы стало ясно (Kriiger et al., 2000), что контактная регистрация пылинок при облете спутников может играть роль естественного ударного эксперимента: его ставит природа, а от человека требуется только измерительная аппаратура. И действительно, подобные измертния позволяют наложить ограничения на важнейшие параметры моделей удара например, распределение фрагментов удара по массам и скоростям.
Цели работы
Целью работы является всестороннее исследование двух •классов объектов Солнечной системы: пылевых облаков вокруг спутников планет и пылевых колец планет. Исследование предполагает установление разнообразных свойств пылевых комплексов: источников и стоков пыли, динамики частиц, распределения пылевого материала в пространстве и по размерам, а также врсмеппбхх вариаций свойств комплексов.
Методами исследования является теоретическое моделирование, обработка наблюдательных данных, а также сравнение теоретических и наблюдательных результатов.
Научная и практическая ценность работы
Астрономическая ценность. Речь идет прежде всего об изучении конкретных астрономических объектов - пылевых оболочек спутников планет и пылевых планетных колеи. Изучение этих объектов важно в “космографическом“ отношении оно ведет к более полному представлению о Солнечной системе. Не менее важно, что пылевые комплексы тесно связаны с другими объектами со спутниками и магнитосферами планет, а также с межпланетной пылевой средой. Более опосредованные, но тем не менее существенные связи обнаруживаются с самыми разнообразными “членами семьи Солнца'’ с самим Солнцем, с солнечным ветром, кометами, астероидами, поясом Койпера. Поэтому, изучая пыль, можно сказать многое о спутниках и плотных кольцах, магнитных полях и плазменных оболочках планет, межпланетной среде. Происхождение и эволюция пылинок зависит от разнообразных физических процессов -ударных, плазменных и т.п. Многие из этих процессов фундаментальны для астрономии. Например, те же ударные процессы, только более интенсивные, действовали на этапе формирования Солнечной системы. Они же определяют эволюцию межпланетного пылевого облака, пояса астероидов, пояса Эджворта-Кой пера, пылевых дисков вокруг других звезд и т.д. Ясно поэтому, изо изучение околопланетных пылевых структур дополняет прямое исследование всех этих объектов.
Теоретическая ценность. Проблемы динамики пылевых частиц дают новую жизнь задачам классической небесной .механики. Разнообразные силы и эффекты, действующи«' на пылинки, определяют удивительное богатство динамики частиц, причем найденные в последние годы решения являются не абстрактной экзотикой, а ответом на естественнонаучные вопросы. Так, например, кольцо Е Сатурна, в отличие от большинства пылевых сред, обладает узким распределением по размерам: оно состоит почти исключительно из микрометровых частиц (ЯЫжакег еЬ а!. 1991). “Фильтром”, отбирающим частицы, служит, как оказалось, нелинейная динамика пылинок под действием трех возмущающих сил возмущений от сжатия планеты, светового давления и силы Лоренца (Погап>ч а1. 1992). Динамическая фильтрация частиц присуща не только этому кольцу. Два фильтра (физически отличных от только что
8
описанного) действуют в системе Юпитера. Во- первых, магнитосфера Юпитера работает как электромагнитная “пушка”, выстреливающая в межпланетное пространство потоки частиц нанометрового размера (их источник Но) со скоростями в сотни км/с (Graps et al. 2000). “Пушка” работает только в том случае, если радиус частиц не щювосходит примерно 0.1 мкм. Этот результат вытекает из решения одного из вариантов задачи о движении заряженной пылинки вокруг планеты (Hamilton and Burns 1903). Далее. КА Галилео зарегистрировал частицы на обратных орбитах в<ь круг Юпитера, и все они имели размер, близкий к 0.2мкм (Colwell et al. 199Н). Динамическое моделирование объясняет явление: оказывается, магнитосфера Юпитера способна захватывать межпланетные частицы но только в том случае, если их размер близок к 0.2мкм, и только на обратные орбиты (Colwell et al. 1998). Еще один яркий пример структурирование системы колец Юпитера так называемыми побитовыми резонансами (Schaffer and Burns 1987, Burns and Schaffer 1989, Schaffer and Burns 1992, Hamilton 1991).
Прикладная ценность. Она связана с массовой подготовкой и осуществлением космических проектов. 'Знание параметров околопланетной пылевой с|>еды необходимо для: а) подготовки и проведения пылевых экспериментов и 6) прогнозирования метеорной опасности для космических аппаратов и установленных на их борту приборов и выработки рекомендаций по ее уменьшению. Так, работа диссертан та по исследованию пылевых комплексов в системах Юпитера и Сатурна была частично инициирована запросами руководителей и участников научных экспериментов на борту космических экспедиции Галилео и Кассини, а также персонала НАСА, курирующего эти программы. Результаты были доведены до сведения всех заинтересованных лиц и учтены ими при составлении программ экспериментов.
Научная новизна работы
Все полученные в диссертации результаты являются новыми.
Так, впервые поставлена задача о планетошчггрическом движении малого тела под совместным действием притяжения планеты, гравитационных возмущений от несферичності! планеты, Солнца, спутников планеты, светового давления Солнца, силы Лоренца и силы сопротивления плазмы. В ряде важных частных случаев задача |кчттена аналитически и численно. Впервые построена аналитическая модель ударных выб]кь сов вещес тва с поверхности спутника, вызываемых бомбардировкой межплане тными микрометеороида.ми и межзвездными пылинками. Эти теоретические результаты применены к изучению реальных околопланетных пылевых комплексов.
В результате анализа данных космического аппарата Галилео, выполненного диссертантом в соавторстве с X. Крюгером, 3. Грюном и Л.П. Гамильтоном, обнаружены пылевые облака вокруг трех спутников Юпитера Европы, Ганлмеда и Каллисто. Тем самым фактически открыт новый класс объектов Солнечной системы пылевые
1)
оболочки спутников планет. Анализ другого подмножества данных Галилео привел к обнаружению ранее не известного слабого пылевого кольца Юпитера, простирающегося но меньшей мере от орбиты Европы до орбиты Каллисто. Хотя кольцо чрезвычайно разрежено и недоступно фотометрическим наблюдениям, оно является самым большим из обнаруженных в настоящее время планетных колец. Кроме того, это — первое из известных колец, источником которого являются не малые спутники, а спутники лунного размера.
Для всех вновь открытых объектов, перечисленных выше, с помощью разработанных диссертантом методов построены теоретические модели, объясняющие наблюдательные данные и выявляющие существенные свойства объектов. Аналогичные модели разработаны и для ряда других комплексов — как известных (кольцо Е Сатурна), так и гипотетических предсказываемых, но пока не обнаруженных наблюдательно (пылевые облака Фобоса и Деймоса, пылевые кольца Марса, пылевые структуры вокруг орбиты Гмпериопа и др.).
Результаты, выносимые на защиту
1. Формулировка, методы и результаты решения некоторых задач магнитофотпо-грааитационной небесной механики, рассматривающей различные частные случаи ограниченной задачи N тел в присутствии как грави тационных, гак и широкого класса нсгравитационных сил (радиационных, электромагнитных, сопротивления и др.) с приложениями к динамике космических пылинок.
2. Методы расчета ударных выбросов вещества с поверхности спутника, вызываемых бомбардировкой межпланетными микрометеороидами и межзвездными пылинками.
.'3. Методы моделирования разреженных пылевых комплексов около планет и спутников, включающие: изучение источников и стоков пыли; исследование сил и эффектов, действующих на пылевые частицы; анализ динамики пылинок; пост^юе-ние нестационарного пространственного распределения пыли; расчет измеряемых величин; уточнение модельных параметров из сравнения с наблюдениями; изучение возможностей детектирования пыли космическими аппаратами. Результаты моделирования нескольких пылевых комплексов - как гипотетических, так и реально наблюдаемых: пылевых роев вокруг Фобоса и Деймоса; пылевых поясов Марса; кольца Е Сатурна; пылевого комплекса в системе Гиперион Титан; пылевого облака в системе Плутон Харон.
4. Открытие пылевых облаков вокруг галилеевых спутников и нового разреженного пылевого кольца Юпитера поданным космического аппарата Галилео и пост[ю-енные модели этих объектов.
10
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и списка литературы. Она изложена на 229 страницах (212 страниц основного текста и 17 страниц списка литературы), включает 19 таблиц и 64 рисунка. Список литературы содержит 250 наименований.
Содержание работы
Но Введении обсуждается место изучаемой проблемы в современной астрономии и приводится общая характеристика работы.
В первой главе формулируются задачи магнитофотогравитацпонной небесной механики. Излагается аналитический метод и результаты решения задачи о движении околопланетной пылинки под действием важнейших гравитационных и негравитаци-онных сил. Метод и результаты исследования задачи служат основой для изучения динамики пыли в реальных пылевых комплексах (главы 3 8).
Вторая глава посвящена анализу важнейшего зкзоншного механизма поставки пыли в околопланетное пространство ударной бомбардировке поверхностей спутников высокоскоростными частицами межпланетного и межзвездного происхождения. Строится модель выброса пылевого материала. Модель служит основой для изучения поставки пыли в реальные пылевые, комплексы (главы 3 8).
Г лавы с третьей по восьмую посвящены исследованию конкретных пылевых комплектов. В третьей главе исследуются пылевые облака, окружающие спутники Марса и галилеевы спутники Юпитера. В последнем случае, по ограничиваясь теоретическим исследованием, мы описываем анализ данных космического аппарата Галилео, доказывающий существование пылевых оболочек. R остальных главах последовательно изучаются пылевые кольца, планет: в четвертой главе гипотетические пылевые пояса Марса, в пятой - недавно открытое в участием диссертанта “галилеево" кольцо Юпитера, в шестой кольцо К Сатурна, в седьмой — пыль во внешней части системы Сатурна, от Титана до Фебы, в восьмой предсказываемое пылевое облако в системе 11лутон-Харон.
Публикации
Основные результаты диссер тации опубликованы в следующих работах:
1. A.B. Кринов, Л.Л. Соколов, К.В. Холщевников, В.А. Шор (1991). О существовании роя частиц в окрестности орби ты Фобоса. Астрономический нестиик 25, 3, 317-326.
2. K.V. Kholshevnikov, A.V. Krivov, L.L. Sokolov, and V.B. Titov (1993). The Dust Torus around Phobos Orbit. Icarus 105, 351 362.
11
3. A.V. Krivov (1094). On ( he Dust Bells of Mars. Astronomy nnd Astrophysics 291, 657-663.
4. A.V. Krivov and V.B. Titov, 1994. The Dust Torus of Phobos. In: Dynamics nnd Astrometry of Natural and Art ificial Celestial Bodies (Eds. K. Kurzyiiska, R Barlier, P.K. Seidelmann, and 1. Wytrzyszczak), As Iron. Observ. of A. Mickiewicx Univ., Poznan, pp. 281-286.
5. V.B. Il’in and A.V. Krivov (1994). Dynamics of Small Dust Grains near Horbig Ae Stars. In: The Nature and Evolutionary Status of Her big Ae Stars (Eds. P.S. The, M.R. Perez, and E.P.J. van den Heuvel), ASP Conf. Series 62. pp. 177 -180.
6. A.V. Krivov, L.L. Sokolov, and V.V. Dikarov (1996). Dynamics of Mars-Orbiting Dust. In Proe. Ill Int. Workshop on Positional Astronomy and Celestial Mechanics (Eds. A. Lopez Garcia et al.). Astronomical Observatory, University of Valencia, pp. 225 234.
7. A.V. Krivov and N.A. Krivova (1996). Expected Features of Martian Dust Belts. Ibid., pp. 235-244.
8. A.V. Krivov, L.L. Sokolov, and V.V. Dikarov (1996). Dynamics of Mars-Orbiting Dust: Effects of Light Pressure and Planetary Oblateness. Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy 63, 313- 339.
9. D.P. Hamilton and A.V. Krivov (1996). Circumplanetary Dnst- Dynamics: Effects of Solar Gravity, Radiation Pressure. Planetary Oblateness, and Electromagnetism. Icarus 123. 503 523.
10. A.V. Krivov and .1. Get.ino (1997). Orbital Evolution of High-Altitude Balloon
Satellites. Astronomy and Astrophysics 318, 308-314.
11. M. Banaszkiewicz and A.V. Krivov (1997). Hyperion as a Dust Source in the Saturnism System. In: Dynamics and Astrometry of Nat ural and Art ificial Celestial Bodies (Eds. I. Wytrzyszczak, J.H. Lieske, and R.A. Feldman), Kluwer, Dordrecht, pp. 171-176.
12. A.V. Krivov, L.L. Sokolov, and .1. Getino (1997). Orbital Instability Zones of Balloon Satellites. Ibid., pp. 361-366.
13. D.P. Hamilton and A.V. Krivov (1997). Dynamics of Distant Moons of Asteroids. learns 128, 241 249.
14. A.V. Krivov and D.P. Hamilton (1997). Martian Dust Belts: Waiting for Discovery. Icarus 128. 335 353.
12
15. M. Banaszkiewicz and A.V. Krivov (1997). Hyperion as a. Dust Source in the Satumian System. Icarus 129, ‘289-303.
16. В.В. Дикарев, Л.П. Кривой (1998). Динамика и пространственное распределение частиц кольца F. Сатурна. Астрономический вестник 32. 2, 147 163.
17. A.V. Krivov. П. Kirnura, and I. Mann (1998). Dynamics оГ Dust near the Sun. Icarus 134, 311- 327.
18. A.V. Krivov, I. Mann, and H. Kirnura (1998). The Circumsolar Dust Complex and Solar Magnetic Field. Farth, Planets and Space 50, No. 6 -7, 551 554.
19. A.V. Krivov and A. Jurewicz (1999). The Ethereal Dust Envelopes of the Martian Moons. Planetary and Space Science 47. 45- 56.
20. N.A. Krivova, 1. Mann, and A.V. Krivov (1999). Polarization of the Zodiacal Cloud and Other Solar System-type Debris Disks. In Meteoroids 190S (Eds. VV..J. Baggaley and V. Porubcan), Astron. Inst.., Slovak Acad. Sei., Bratislava, pp. 291-294.
21. H. Krüger, A.V. Krivov. D.P. Hamilton, and E. Grim (1999). Detection of an Impact-Generated Dust Cloud around Ganymede. Nature 399, 558 -560.
22. I. Mann, A.V. Krivov, and II. Kirnura (2000). Dust Cloud near the Sun. Icarus 146,
568 582.
23. N.A. Krivova. A.V. Krivov, and I. Mann (2000). The Disk of ß Pietoris in the bight of Polarimetrie Data. Astrophvsical Journal 539, 424 434.
24. H. Krüger, A.V. Krivov. and E. Griin (2000). A Dust Cloud around Ganymede Maintained by Hypervelocity Impacts of Interplanetary Meteoroids. Planetary and Space Science 48, 1457 1471.
25. A.V. Krivov, I. Maun, and N.A. Krivova (2000). Size Distributions of Dust in Circumstcllar Debris Discs. Astronomy and Astrophysics 362. 1127 1137.
26. N.A. Krivova, A.V. Krivov, and I. Mann (2001). Size Distribution of Dust in the Disk of ß Pietoris. In Disks, Planetesimals, and Planets (Eds. F. Garzdn, O. Eiroa, D. de Winter, and T.J. Mahoney), ASP Conf. Series 219, pp. 387-392.
27. A.V. Krivov and M. Banas/kiewicz (2001). Dust Influx to Titan from Hyperion. In Collisions] Processes in the Solar System. Astrophysics and Space Science Library 261 (Eds. M. Ya. Marov and H. Rickman), pp. 265 276.
28. A.V. Krivov arid M. Banaszkiewicz (2001). Unusual Origin, Evolution and Fate of Icy Ejecta from Hyperion. Planetary and Space Science 49, 1265 1279.
13
29. K.-IJ. Thiesseiihusen, Л.У. Krivov, II. Krüger, and E. Grün (2002). Л Dust. Cloud around Pluto and Charon. Planetary and Space Scie,nee 50. 70 87.
30. A.V. Krivov, H. Kriiger, E. Grün, K.-U. Thiesscnhusen, and D.P. Hamilton (2002). A Tenuous Dust. Ring of Jupiter Formed by Escaping Ejecta from the Galilean Satellites. Journal of Geophysical Research 107 (El), 10.1029/2000JË001434.
В работах 5, 10, 12, 17, 18, 20, 22, 23, 25, 26, основным предметом исследования которых являются не околопланетные пылевые комплексы, развитые в диссертации аналитические и численные методы эффективно применены к другим астрономическим объектам — от искусственных спутников Земли до околозвездных ДИСКОВ.
В статьях, первым соавтором которых является диссертант, а также в статье 22, ему принадлежит постановка задачи, большая часть аналитических и численных результатов, а также написание большей части текста (кроме работы 1, ведущим соавтором которой является К. В. Холшевников). В остальных работах вклад диссертанта оценивается так: в статьях 1 и 2 — 30% результатов, 5 — 50%:, 9 — 50% (включая постановку задачи), 11 — 50%, 13 — 40%J} 15 — 50%, 10 — 30% (включая постановку задачи), 20 и 21 30%, 23 40%, 24 - 40% (все тео|Ютические результаты), 2(5
30%, 29 40%. Обсуждение результатов и работа над окончательной версией текста
статей выполнялась во всех случаях всеми соавторами совместно.
Апробация работы
Основные результаты, полученные в диссертации, докладывались на следующих конференциях и семинарах:
1. Семинары кафедр небесной механики, астрофизики и астрономии СПбГУ. 1990 2002;
2. XVI Генеральная Ассамблея Европейского геофизического общества, Висбаден, Германия, апрель 1991;
3. Общеинститутский семинар ИТ А ГАН, май 1991;
4. Всероссийское совещение (с между народным участием) “Компьютерные методы небесной механики”. ИТА РАН. ноябрь 1992;
5. VI Азиатско-Тихоокеанская региональная конференция но астрономии и астрофизике, Пуна, Индия, август 1993;
6. Международная конференция "Dynamics and Ast rometry of Natural and Artificial Celestial Bodies”, Познань, Польша, сентябрь 1993;
7. Ill международное рабочее совещание по позиционной астрономии и небесной механике1. Куэнка, Испания, октябрь 1991;
14
8. XIX Научные чтения по космонавтике, Москва, февраль 1995;
9. Все[юесинекая конференция (с международным участием) “Астероидная опасность 95” — I стендовый доклад, И ГА РАН, май 1995;
К). Научная конференция “Стохастические методы и эксперименты в небесной механике”, Архангельск, июнь 1995;
11. Семинар Центра Космических исследовании Польской академии наук —обзорный доклад “Recent results in dynamics of circuiuplanetary dust”, Варшава, Польша, декабрь 1995;
12. Семинар Института Аст|м>иомии Ун-та II. Коперника - обзорный доклад “Recent results in dynamics of circuniplanetary dust”, Торунь, Польша, май 1996;
13. Коллоквиум MAC N 165 “Dynamics and Astrometry of Natural and Artificial Celestial Bodies” — 2 устных и 1 стендовый доклад, Познань, Польша, июль 1996;
14. Международная конференция “Asteroids, Comets, Meteors 1996” - 1 устный и 2 стендовых доклада, Версаль, Франция, июль 1996;
15. Семинар Института аэрономии Макса Планка 2 обзорных доклада, Катлснбург-Линдау, Германия, февраль 1997;
16. XXII Генеральная Ассамблея Европейского Геофизического общества, Вена, Австрия, апрель 1997;
17. XXIII Генеральная Ассамблея MAC — 2 стендовых доклада, Киото, Япония, август 1997;
18. Лаборатория дистанционного эоидщювания, Университет Кинки • обзорная лекция. Осака, Япония, август 1997;
19. Рабочее совещание “Zodiacal Cloud Sciences", Кобе, Япония, сентябрь 1997;
20. Международная конференция “Результаты и перспективы исследования планет”, Ульяновск, ноябрь 1997;
21. Семинар Института ядерной физики Макса Планка — обзорный доклад “Dust near Sun, Mars, and Saturn; Some recent, modeling results”, Хайдельберг, Германия, февраль 1998;
22. Конференция Немецкого Геофизического общества, Геттинген, Германия, март 1998;
23. VII рабочее совещание “Physics оГ Dusty Plasmas”, Боулдер, Колорадо, США. апрель 1998;
15
24. Семинар Института ядсрной физики Макса Планка — доклад “Dust from the Galilean moons: Impact experiment by nature!’’, Хайдельберг, Германия, сентябрь 1998:
25. XXIV Генеральная Ассамблея Европейскою геофизического о-ва, Гаага, Голландия, апрель 1999;
20. Международная конференция “Asteroids, Comets, Meteors 1999”, Корнсльскнй ун-т, Итака, США, июль 1999;
27. Международная конференция “Magnetospheres of the Outer Planets - 1999”, Париж. Франция, август 1999;
28. Международная конференция “Galileo, Ulysses, Cassini, Stardust (GUCS-1999)”, Мюнстер, Германия, август 1999;
29. 31-я ежегодная конференция Division for Planetary Sciences Американского астрон. общества, Падуя, Италия, октябрь 1999;
30. Осенняя конференция Американского геофизического союза, Сан-Франциско, США. декабрь 1999;
31. Международная конференция “Disks, Planetesimals and Planets” — 1 стендовый доклад, Пузрто-де-ля-Крус, Тенерифе, Испания, январь 2000;
32. Коллоквиум N161 MAC "Dust in the Solar System and Other Planetary Systems” l устный и 1 стендовый доклад, Кзнтербери, Великобритания, апрель 2000;
33. Весенняя конференция Американского геофизического союза 1 стендовый доклад, Вашингтон, США, май-июнь 2000;
34. Рабочее совещание “Jupiter”, I устный доклад. Кельн, Германия, июль 2000;
35. Рабочее совещание “Ае/Ве Herbig Stars” 1 стендовый доклад, Амстердам, Голландия, октябрь 2000:
30. 32-я ежегодная конференция Division for Planetary Sciences Американского астрономического союза— I стендовый доклад, Пасадена, США, октябрь 2000;
37. Семинар кафедры нелинейной динамики Потсдамского ун-та обзорный доклад “Cosmic dust complexes: Prom dusty planetary rings to circumstellar debris disks”. Потсдам, Германия, январь 2001;
38. XXVI Генеральная Ассамблея Европейского Геофизического общества 2 устных доклада. Ницца, Франция, март 2001;
16
39. Семинар Института ядерной физики Макса Планка — доклад “Dust clouds of satiirnian outer satellites and Cassini-CDA experiment”, Хайдельберг, Германия, май 2001;
40. Международная конференция “Galileo, Ulysses, Cassini, Stardust (GUCS-2001)”
2 устных доклада, Хайдельберг, Германия, июль 2001;
41. Международная конференция по статистической фишке - 1 стендовый доклад, Канкун, Мексика, июль 2001;
42. 33-я ежегодная конференция Division for Planetary Sciences Американского астрономического общества 2 устных и 2 стендоных доклада, Новый Орлеан, США, ноябрь 2001.
17
Глава 1
Магнитофотогравитационная небесная механика
1.1 Формулировка и классификация задач
Динамика пылевой среды Солнечной системы, пылевых оболочек и дисков вокруг других звезд, околопланетных пылевых структур, некоторых типов искусственных спутников -Земли, частиц космического мусора и многих других объектов во многом onjie-доляется воздействием разнообразных негравитационных сил и эффектов давления фотонной и корпускулярной солнечной радиации, электромагнитных сил, .'цюзиоиных и деструктивных процессов и т.д. Из-за этого ко всем таким задачам невозможно непосредственно применить результаты классической небесной механики, изучающей движение тел под действием лишь гравитационных сил. Представляется естественным следующий подход: обобщение классических задач небесной механики, г.е. разнообразных вариантов задачи N тел, путем добавления к гравитационным гилям тех или иных сил пегравитационной природы. Модифицированные таким образом задачи можно попытаться решить по аналогии с классическими, применяя мощный инструментарий классической небесной механики, а если это необходимо разрабатывая и применяя новые методы.
Идея эта, конечно, не нова. Предположение о том, что все или некоторые из тел, фигурирующих в классической задаче N тел, являются источниками электромагнитного и/или корпускулярного излучения, а значит, порождают не только гравитационные, но и радиативные силы, привело к появлению в 1950-х гг. фотограв и та ц.и он-пой шбс.с.пой механики (ФГ НМ). Формулировка и решение некоторых задач ФГ НМ, как и сам термин, принадлежат В.В. Радзиовскому (1950, 1953а,6). 'Гак, им была сформулирована и в общих чертах исследовала фотогравитационная ограниченная задача т[х*х тел с одним и двумя излучающими центрами. Позднее он же, а затем Л.Г. Лукьянов (1984а,б; 1988), ЕЛ. Полякова (1963, L970, 1971, 1972а,б), IO.A. Черников (1970), Ragos and Zafiroponlos (1995), Ragos and Zagouras (1988a,1»), Ragos et, al. (1995) и другие детально исследовали задачу по той же схеме, но кото)х>й па-
18
чиная с 10-го столетия изучалась гравитационная задача. Установлены точки либрации (их оказалось и общем случае 9), изучены поверхности нулевой скорости и области возможности движения, исследованы .линейная и нелинейная устойчивость точек либрации и т.д. Рассматривались также более сложные варианты задачи например, та же задача с учетом не только прямого светового давления, но и эффекта Пойнтинга-Робертсона (П-Р) (см., напр., работу Черникова (1970)). Превосходные обзоры истории и сов|И'менного состояния работ в этой области сделаны Поляковой (1995) и Куницыным и Поляковой (Kunitsyn and Polyakhova 1995). В последние годы выполнены важные исследования специального случая ФГ ограниченной задачи трех тел резонансного случая в присутствии диссипативной силы Пойнтин га-Робертсон а (см., напр., Weideiischilling and .Jackson 1993, Beaugé and Ferraz-Mello 1991, Lion яш! Zook 1995a, 1995b, 1997, 1999). Именно, изучалась возможность захвата межплашгг-ных пылинок, движущихся к Солнцу под действием эффекта П-Р, в резонанс с большими планетами. Было показано, что такой захват при определенных условиях возможен и эффективен. Почти одновременно с теоретическими исследованиями резонансное кольцо вокруг орбиты Земли было открыто наблюдательно (Dermott et al. 1994).
Разумеется. ФГ НМ далеко не исчерпывается ограниченной задачей трех тел. Во-первых, изучались варианты задачи и с /V > 4. Пример — работа Mignard (1984а), посвященная одному из вариантов ФГ ограниченной задачи четырех тел Солнце Земля -Луна пылинка. В статье исследованы три тональные точки либрашш в системе Земля-Луна и показано, что в присутствии светового давления Солнца точки перестают существовать. Следствием этого является невозможность накопления пыли в лагранжевых точках. Напомним, что существование пылевых облаков вокруг точек L:\ и Lr, предсказывалось в 1960-х гг., и даже сообщалось о их наблюдательном обнаружении (‘"облака Кордылевского", Kordyiewski 1901), что, вщиь чем, не было подтверждено впоследствии. Во-вторых, заслуживает особого внимания и случай N — 2. В отличие от чисто гравитационного случая, в ФГ НМ нетривиальной и интересной оказывайся уже задача двух тел и даже задача одного притягивающего и излучающего центра. (Заметим, что в присутствии светового давления эти две задачи не эквивалентны.) Фотогравитациониая задача одного центра имеет своим важнейшим приложением движение пылинки Зодиакального облака или межпланетного метеороида вокруг Солнца. (Впрочем, не следует думать, что лишь очень малое голо или, точнее, тело с большой парусностью может быть подвержено воздействию радиативных сил например, обусловленный солнечным нагревом эффект Яркопского, наоборот, существом для больших тел скажем, астероидов.) Задача одного центра с учетом только прямого светового давления, как известно, ( водится к чисто гравитационному случаю путем уменьшения массы центра в 1 — fi раз, где fi - отношение силы светового давления к силе
19
притяжения. Учет полного световою давления (— прямім* световое давление + сила Пойнтин га-Робертсона) приводит к некеплеровскому движению. Траекториями являются спирали, скручивающиеся к центру -- следствие диссипации энергии. После осреднения задача была проинтегрирована Wyatt и Whipple (1950). Классическое решение Уайятта и Уиппла стало динамической основой всех моделей глобального комплекса межпланетной пыли Водакального облака. Интересно, что совсем недавно было найдено аналитическое решение и неосредненной задачи (Breiter and .Jackson, 1998).
Введя в рассмотрение радиативные силы, естественно сделать следующий шаг и добавить еще и силы электромагнитные - прежде всего, силу Лоренца. Поскольку космические пылинки движутся в поле излучения Солнца, возникают эффекты фотоэлектронной и термоиоиной эмиссии, сообщающие пылинкам электростатический заряд. При движении в плазменной среде (в межпланетном пространстве', где распространяется солнечный ветер, или в околопланетном пространстве, в плазменных оболочках планет) важную роль в приобретении частицами заряда играют эффекты вторичной электронной эмиссии и столкновения с положительно заряженными ионами и т.п. Следовательно, пылинки всегда заряжены в большинстве случаев, типичны потенциалы в несколько вольт (как положительные, так и отрицательные). А так как движение происходит в магнитном поле либо солнечного ветра, либо планеты возникает сила Лоренца. Величина ее обычно такова, что для частиц размером в несколько мкм ею уже нельзя преноГфечь, а для субмикронных пылинок сила Лоренца нередко превосходит все остальные силы, в том числе гравитационные.
Предлагается очевидное обобщение задач классической и фотогравигационной небесной механики на случай, когда в системе N тел совместно действуют гравитационные, радиативные и электромагнитные силы. Мы назовем соответствующий круг задач магттюфотогравитациопной небесной механикой (МФГ НМ). Отличительной особенностью МФГ НМ явлжтея богатство сложных и интересных динамических задач, нетрадиционных для классической небесной механики. В отличие от классической НМ, обилие задач связано не только и не столько с перебором N (числа тел), сколько с многообразием негравитлционных сил и эффектов, которые, действуя совместно друг с другом и в сочетании с гравитационными возмущениями, формируют нетривиальную динамическую картину.
Разнообразно задач, по существу, неограниченно. Поэтому выбор той или иной задачи должен определяться наличием приложений например, того или иного пылевого комплекса в Солнечной системе, для которого задача послужила бы хорошей моделью. В этой главе будет сфомулирована и детально исследована одна из таких задач МФГ ИМ, полное название которой могло бы звучать приблизительно так: “маг-нитофотограви гационная плоская круговая ограниченная задача трех тол, в которой одна из конечных масс является излучающим центром, а другая обладает маг-
20