Метеоры и метеориты чрезвычайно занимательны с нескольких точек зрения и вполне стоят того, чтобы уделить им побольше внимания.
Во-первых, метеориты - это единственные небесные тела, которые попадают в наши руки. Лишь их состав и строение мы можегл изучать непосредственно, можем трогать, измерять, дробить, анализировать, изучать так же, как мы изучаем все земные предметы. Остальные небесные тела мы изучаем косвенными путями, наблюдая их видимые положения и движения, анализируя их свет. Результаты такого изучения для неспециалиста часто кажутся недостоверными к потому не вполне его удовлетворяют, хотя в действительности многие из этих данных гораздо достовернее, чем, скажем, наши представления о некоторых частях поверхности нашей собственной планеты, например об арктических областях или о дебрях Центральной Африки. Во всяком случае, не напрасно создалось выражение: «недосягаемы, как звезды на небе», а если и говорят, что кто-то там «хватает звезды с неба», то приводят это как описание невероятного успеха. Между тем, если и не настоящие звезды, то хотя бы падающие звезды с неба (по крайней мере, метеориты) некоторым людям буквально удается «хватать».
Другое обстоятельство, благодаря которому метеоры и метеориты привлекают каше внимание, - это то, что они тесно связаны с рядом других небесных образований: с кометами, астероидами, с зодиакальным светом и с солнечной короной, с так называемыми темными туманностями в межзвездном пространстве, а также с образованием рельефа поверхности некоторых небесных тел, включая отчасти и нашу Землю.
Эти камешки - частично обломки каких-то небесных тел, погибших при катастрофе, частично - это те «кирпичи», из которых сложились разные небесные тела и, быть может, даже наша Земля.
Наконец, изучение метеоров и метеоритов мы можем рассматривать как средство для изучения высоких слоев земной атмосферы, которые так интересуют и ученых, и самолетостроителей, и радистов, и даже артиллеристов, но которые до недавнего времени были недоступны для непосредственного изучения. Последний вопрос мы рассмотрим позднее, а пока займемся метеорами как небесными телами, хотя и мельчайшими из тех, которым можно присвоить этот громкий титул.
Что же нас интересует при изучении метеоров, что подлежит определению из наблюдений?
Высота точек появления и исчезновения метеоров над земной поверхностью, скорость их движения и ее изменения, зависимость этих величин от яркости метеоров и их связь друг с другом, число метеоров в разные часы суток и в течение года, распределение их по яркости и по величине, их путь в пространстве до встречи с Землей...
Один из крупнейших советских «ловцов» падающих звезд И. С. Астапович зарегистрировал за 15 лет своей работы около 40 000 метеоров.
Наблюдать метеоры с пользой для науки может каждый, потому что большинство наблюдений метеоров производится невооруженным глазом и не требует никаких особых заний. Даже и инструменты для наблюдения метеоров в большинстве случаев могут быть так просты и скромны, что располагать ими может каждый любитель науки о небе.
Выдающуюся роль в науке о метеорах сыграли любители астрономии, такие, как Деннинг в Англии. В СССР целая организация любителей астрономии в составе Всесоюзного астрономо-геодезического общества занимается наблюдением метеоров. Эта организация играет большую роль в развитии наших знаний о метеорах и располагает обширным архивом наблюдений. Такие организации есть и за рубежом. Метеоры стали теперь изучать и в обсерваториях, особенно интенсивно в Чехословакии, в США, у нас - в Душанбе, Ашхабаде и Одессе, а радиометодами - в Англии.
Уже говорилось о том, каким способом (методом засечки) определяется высота над Землей разных точек метеорного пути. Два наблюдателя, разделенных расстоянием в 30-40 км, одновременно следят за одной и той же областью неба и зарисовывают на карту звездного неба пути метеоров. Сличая потом свои зарисовки и отождествляя общие для обоих наблюдателей метеоры по моменту наблюдения, их яркости, цвету и примерному расположению, они измеряют перспективный (параллактический) сдвиг пути метеора, как его видел один наблюдатель, по сравнению с тем, как этот путь видел другой.
Конец пути, более близкий к наблюдателю, смещается больше, чем начало пути. Зная высоту начала и конца пути метеора в атмосфере и проекцию пути на поверхность Земли, нетрудно установить его истинную длину. Оценивая продолжительность полета метеора в земной атмосфере и деля на нее длину пути, получают его среднюю скорость, поскольку действительная скорость движения метеора в атмосфере непостоянна: она меняется из-за тормозящего действия сопротивления воздуха.
Скорость метеора в атмосфере интересует нас прежде всего потому, что знание ее решает вопрос о том, откуда приходят к нам метеоры - из межпланетного или из межзвездного пространства.
Мы знаем, что скорость движения Земли по ее почти круговой орбите около Солнца составляет 30 км/сек. Теория тяготения говорит, что тело, движущееся на расстоянии Земли от Солнца со скоростью, не превышающей по отношению к Солнцу 30•√2 км/сек, т. е. не превышающей 42 км/сек, не может преодолеть тяготения к Солнцу. Оно движется тогда по эллипсу, периодически возвращаясь к Солнцу, и является, таким образом, членом Солнечной системы.
При скорости, хотя бы чуть большей чем 42 км/сек, всякое тело лишь искривит свой первоначальный путь под действием тяготения к Солнцу, но не замкнет его и, обогнув Солнце по гиперболе, навсегда уйдет из области его притяжения. В этом случае и приближается оно к Солнцу по гиперболе, т. е. в первый и в последний раз появляется в нашей Солнечной системе, придя, очевидно, из межзвездного пространства, где тяготение к нашему Солнцу слабее, чем тяготение к другим звездам.
Движение по параболе при скорости 42 км/сек является пограничным между движениями по эллипсу и по гиперболе и практически невозможно. Если такая скорость случайно и возникла бы, то немедленно притяжение планет хотя бы немного увеличило ее или уменьшило, превратив тотчас же параболическую орбиту, по которой тело вознамерилось двигаться, в орбиту эллиптическую или в гиперболическую.
Не подумайте, пожалуйста, что 42 км/сек - это какое-то абсолютно роковое число. По теории тяготения на всяком расстоянии от Солнца есть скорость V0, при которой движение тела должно быть круговым; это движение будет эллиптическим - при скорости, большей чем V0, но меньшей чем скорость, равная V0√2, и гиперболическим - при скорости, хотя бы ничтожно большей, чем V0√2. В случае же скорости, меньшей чем V0 на данном расстоянии от Солнца, тело упадет на него по кривой линии. Тело будет падать на Солнце по прямой, если его скорость равна нулю, т. е. если телу, неподвижному относительно Солнца, предоставлено падать на него столь же свободно, как зернышку на пашню.
Мы наблюдаем метеоры только вблизи самой Земли, и потому для наблюдаемых метеоров число 42 км сек действительно является как бы «роковым». К сожалению, простые зарисовки пути метеоров вследствие трудности запомнить точно путь метеора, в особенности его начало, из-за внезапности его появления и из-за скоротечности явления не дают желаемой точности и ведлгт к преувеличению оценки скорости движения.
Большую точность дает фотографирование метеора двумя фотокамерами, отстоящими друг от друга на несколько километров. При этом, однако, перед объективами камер надо поставить сектор, быстро вращаемый электромотором, так что в течение секунды объективы камер несколько раз закроются этим сектором, и экспозиция несколько раз прервется.
В результате след метеора на фотопластинке получается с перерывами, промежутки между которыми равны по времени, но не равны по длине. В этом случае ясно видно, что в начале своего пути метеор летел быстрее, а к концу медленнее. Этим выявляется тормозящее действие атмосферы. Высота определяется так же, как и при наблюдениях глазом, - по смещению пути метеора на фоне звезд, зафиксированных на обеих фотографиях.
К несчастью, получить такие парные фотографии метеоров удается, конечно, еще реже, чем в случае обычного фотографирования.
Что касается яркости метеоров, то при наблюдениях глазом она оценивается по сравнению со звездами и говорят о метеорах первой звездной величины, второй величины и т. д.
Анализ наблюдений показывает, что чем ярче метеор, тем глубже в атмосферу он проникает, но высота точки его возгорания почти не зависит от его яркости. Подавляющее большинство метеоров начинает светиться на высоте 100-120 км и гаснет на высоте 80-85 км. Выяснилось, что на этой высоте в атмосфере существует особый слой, где плотность воздуха быстро повышается. Этот слой - невидимая воздушная преграда - разрушает остаток достигшего ее метеора. Большинство небесных гостей гибнет у этой «стены», натолкнувшись на нее.
Легко понять, что при данной скорости полета, определяющей силу сопротивления воздуха, а следовательно, и быстроту испарения метеора (а с ней и его яркость) метеор будет тем ярче, чем больше его масса. Только более массивные и медленные метеоры пробивают «броню» на высоте около 80 км и проникают ниже, разрушаясь нацело, на высоте 30-40 км. Этой высоты достигают болиды, полет которых сопровождается звуком, зачастую напоминающим шипение. Наконец, метеориты, выпадающие на Землю, обычно перестают светиться на высоте около 22 км и падают с нее на Землю как темные, несветящиеся тела с обычной скоростью падающих тел. В этом месте запас их космической скорости обычно иссякает.
С другой стороны, чем больше скорость метеоров при их врезывании в атмосферу, тем больше высота, на которой начинается их свечение и разрушение. При больших скоростях сопротивление воздуха растет пропорционально квадрату скорости, а может быть, и быстрее. Поэтому метеор со скоростью 20 км/сек светится на высоте около 60 км, а со скоростью 70 км/сек - на высоте около 100 км.
Для изучения земной атмосферы и свечения метеора интересна его скорость по отношению к Земле, о которой тут идет речь. Для изучения же происхождения метеоров нужно знать их скорость относительно Солнца. Скорость их относительно Земли складывается из их скорости относительно Солнца и из скорости движения Земли. Например, метеор, летящий прямо навстречу Земле со скоростью 40 км/сек, вонзится в нашу атмосферу со скоростью 70 км/сек, потому что Земля сама делает по 30 км/сек ему навстречу. Такой же метеор в погоне за Землей подлетит к ней со скоростью всего лишь 40-30=10 км/сек, но притяжение Земли немного увеличит эту скорость.
Рис. 92. Метеоры налетают 'в лоб' на 'утреннюю' сторону Земли и догоняют ее 'вечернюю' сторону
Так как для любого момента величина и направление скорости движения Земли известны, то из наблюденной скорости метеора всегда можно вычесть скорость Земли и получить его скорость относительно Солнца. При таком расчете надо учитывать угол между скоростями и изменение пути и скорости движения метеора под влиянием притяжения Земли.
Фотографирование с вращающимся сектором перед объективом фотокамеры определенно говорит, что скорости метеоров явно эллиптические, т. е. что метеоры являются постоянными членами Солнечной системы. Три таких метеора оказались обращающимися вокруг Солнца (конечно, до их гибели в земной атмосфере) в среднем с периодом около 4 лет по орбите с большой полуосью в 2х/2 астрономические единицы, с эксцентриситетом того же порядка, что у периодических комет и у некоторых астероидов (0,7) и притом почти что в плоскости эклиптики.
Скорость в 42 км/сек на расстоянии Земли от Солнца - это уже скорость чуждого нам тела, движущегося по параболе. Скорость же 41 км/сек (всего на 2-3% отличающаяся от критической) уже соответствует периоду обращения лишь в 27 лет по орбите, всего в девять раз большей, чем орбита Земли.
Итак, в данном случае малейшая ошибка в определении скоростей метеоров (а их трудно определить!) ведет к совершенно новому заключению об их месте в Солнечной системе.
За последнее время скорости движения тысяч метеоров вне Земли были определены при помощи совершенно нового метода. Наблюдалось отражение радиоволн от тех следов, которые оставляют за собой метеоры. Много наблюдений метеоров радиометодами выполнено на английской станции Джодрелл Бэнк и на советской обсерватории в Душанбе. Из этих очень точных наблюдений выяснилось, что практически все метеоры движутся по эллиптическим орбитам и являются членами Солнечной системы, и, быть может, лишь единичные метеоры приходят к нам извне, как редкие гости. Так вопрос о природе метеоров решен окончательно.
Теория свечения метеоров приводит к следующим данным о массах метеоров. Масса очень яркого метеора нулевой звездной величины, если его скорость в атмосфере 55 км/сек, составляет 0,25 г. Это равно весу нескольких капель воды. Масса метеора пятой величины, едва приметного для глаза,- несколько тысячных грамма.
Так как, изучая метеоры, можно оценить их массы, то и их размеры не являются для нас тайной. Обычный яркий метеор до своего разрушения в атмосфере имеет размер кедрового орешка, а слабые метеоры, видимые только в телескоп,- размеры небольшой булавочной головки (данные о массах и размерах метеоров приблизительны). Как далеко не похожи такие тела на настоящие звезды, от которых несведущие люди отличают их только эпитетом «падающие»!
Быть может, возникает сомнение в том, как же такие крошки могут быть нами видимы на расстоянии порядка сотни километров? Но ведь видимая нами падающая звезда - не эта твердая частичка! Это необычайно ярко светящийся раскаленный пар, в который она превращается в атмосфере, пар, создающий вокруг летящей частички газовую атмосферу довольно значительного размера. Стоит также вспомнить, что нить электролампочки благодаря ее яркости видна с огромного расстояния, хотя ее толщина - сотые доли миллиметра; между тем газы, в которые обратился метеор, раскалены еще сильнее.
Поэтому не удивительно, что яркий метеор, видимый с расстояния сотни километров как звезда 2-й величины, имеет действительную силу света в 3360 стандартных (международных) свечей.
Мельчайшие космические пылинки, оседающие на Землю, - это жалкие остатки довольно значительных камешков, большая часть которых испарилась за время их полета.