Физико-химические аспекты столкновений комет с телами Солнечной системы

• Автор: Бережной, Алексей Андреевич
• Шифр специальности: 01.03.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 114 с.

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы Столкновения комет с планетами играют важную роль в эволюции Солнечной системы. Например, многие факты свидетельствуют о том, что 65 млн. лет назад произошло столкновение Земли с кометой, в результате которого погибли динозавры. В июле 1994 года впервые за исторический период времени произошло столкновение кометы с планетой: 21 фрагмент кометы Шумейкеров-Леви 9 столкнулся с Юпитером. За процессом столкновения наблюдали практически все крупные обсерватории мира. Было зарегистрировано излучение молекул, некоторые из которых не были обнаружены в атмосфере Юпитера до столкновения с кометой. В данной работе проведено исследование физико-химических процессов во время столкновения кометы с Юпитером. Рассмотрение этого вопроса особенно важно для решения проблемы химической эволюции атмосфер планет-гигантов.
Также проведено исследование возможных последствий столкновений комет с Луной. Следами таких столкновений, вероятно, являются диффузные структуры, выделяющиеся на лунной поверхности по фотометрическим и магнитным свойствам. Так как кометные ядра богаты летучими компонентами, в основном, водой, то некоторая часть воды и других летучих соединений кометного происхождения может сохраняться в зонах вечной тени на полюсах Луны после столкновения комет с Луной. Изучение полярных льдов на Луне важно для понимания природы сталкивающихся с Луной небесных тел. Кроме того, летучие соединения могут быть использованы в качестве топлива в процессе функционирования будущей лунной базы.
Цель работы Целью настоящей работы является исследование физикохимических процессов при столкновении комет с телами Солнечной системы. Рассмотрено два варианта таких столкновений: столкновение кометы с Луной, не обладающей атмосферой, и столкновение кометы с Юпитером.
При выполнении работы были поставлены следующие задачи: определение элементного состава возмущенной области атмосферы Юпитера во время столкновения с кометой для изучения гидродинамических аспектов столкновения;
определение на основании имеющихся данных по концентрациям молекул в возмущенной области параметров закалки химического состава газа; исследование химического состава ударно-образованной лунной атмосферой кометного происхождения;
решение вопроса сохранения летучих кометного происхождения в полярных регионах Луны;
СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка
цитируемой литературы и приложения. Во введении дается краткое описание проблем, затронутых в диссертации, ставятся цели и обосновывается актуальность данной работы.
1. В первой главе дан краткий обзор наблюдений падения кометы Шумейкеров-Леви 9 на Юпитер, наиболее детально рассматриваются наблюдения молекул в местах падения крупных фрагментов кометы Шумейкеров-Леви 9 (Noll et al., 1994; Bockelee-Morvan, 1995). Кратко освещается механизм разрушения кометных фрагментов в юпитерианской атмосфере. Приведены оценки высот взрывов кометных фрагментов (Ивлев и др., 1995), рассматриваются гидродинамические процессы, протекавшие в возмущенной падением кометы атмосферой Юпитера. Дан критический анализ работ (Zahnle et al., 1995; Borunov et al., 1997), в которых освещаются химические процессы в возмущенной атмосфере планеты-гиганта.
2. Во второй главе рассмотрены результаты расчетов равновесного химического состава расширяющегося огненного шара при различных начальных температурах и давлениях, элементном составе огненного шара.
Максимальная температура в местах падения кометных фрагментов

составила несколько десятков тысяч градусов, поэтому атмосфера Юпитера в местах падения кометных фрагментов представляла собой ионизованную плазму. При охлаждении огненного шара до температуры порядка 5000 К произошло образование молекул. Характерное время протекания химических процессов сначала было значительно меньше характерного времени охлаждения огненного шара, поэтому химический состав огненного шара соответствовал равновесному. Когда характерное время химических процессов совпало с характерным временем охлаждения, наступила закалка химического состава возмущенной области и в дальнейшем относительные концентрации молекул перестали изменяться, соответствуя равновесным во время закалки. Так как равновесный химический состав газовой смеси чувствителен к параметрам закалки, то мы можем, используя наблюдательные данные по относительным концентрациям молекул, решить обратную задачу - оценить температуру, давление и элементный состав огненного шара во время закалки. Используя найденные параметры закалки, анализируются различные гипотезы происхождения наблюдавшихся молекул. По данным по элементному составу возмущенной области во время закалки, изучается механизм смешения кометного и планетного вещества в местах падения кометных фрагментов. По содержанию наблюдавшихся соединений также оценивается глубина проникновения кометных фрагментов в атмосферу планеты и размеры кометных фрагментов.
3. В третьей главе дан обзор имеющихся в литературе данных по проблеме столкновения комет с Луной. Приведены оценки частоты столкновений, комет с Луной в настоящее время и на ранних стадиях существования Солнечной системы. Излагаются наблюдательные данные, косвенно подтверждающие гипотезу кометных ливней, согласно которой около 10 млн. лет назад с Луной столкнулось несколько комет (Шевченко, 1996). Дан обзор современных представлений физики высокоскоростного удара кометы по безатмосферному телу. Приводятся результаты расчетов средних скоростей столкновения

Соединения хлора, фтора, фосфора, мышьяка и других элементов нами не рассматривались, так как эти соединения не наблюдались при столкновении кометы с Юпитером.
В программе СНЕТ использована база данных по термодинамическим свойствам индивидуальных веществ ИВТАН (Глушко и др., 1978). Используя погрешности измерения термодинамических параметров веществ, оценивалась погрешность определения температуры ST при данной расчитанной относительной концентрации химических соединений и данных давлении и элементном составе. Для большинства рассматриваемых соединений 5Т~ 20-50 К при Т~ 1000-2000 К. Для таких соединений, как Н2, С02, Н20, NH3, N2, SO, 8Т не превышает 20 К. Однако для SH, Н2СО, С2Н4, С2Нб, HCN и полицианидов 5Т~ 100 К.
С помощью программы СНЕТ были расчитаны равновесные относительные концентрации наблюдавшихся при падении кометных фрагментов на Юпитер соединений в интервале температур 500 - 2500 К с шагом 125 К и в интервале давлений 1 - 106 Па с шагом в пол порядка при различных вариантах элементного состава возмущенной области. Погрешность определения относительных концентраций наблюдавшихся соединений ~ 0.5 порядка величины (см. гл. 1). Изменение равновесной концентрации этих веществ на 0.5 порядка происходит при изменении температуры возмущенной области на 50-100 К или изменении давления на 0.5-1 порядок. Таким образом, погрешность определения параметров закалки значительна: 5Tq~ 50-150 К, 5Pq~ 0/5-1 порядок.
Варьирование элементного состава возмущенной области показало, что отношение О/С является критическим параметром. Весь комплекс наблюдательных данных удовлетворительно объясняется при О/С < 1 в возмущенной области. Значенш О/С < I не только подтверждается