Эффект Ярковского - Yarkovsky effect

Не путать с эффектом Ярковского – О'Кифа – Радзиевского – Паддака .
Эффект Ярковского:
  1. Излучение с поверхности астероида
  2. Улучшить вращающийся астероид
  3. Орбита астероида
  4. Излучение от Солнца

Эффект Ярковского - это сила, действующая на вращающееся тело в пространстве, вызванная анизотропным излучением тепловых фотонов , переносящих импульс . Обычно его рассматривают в отношении метеороидов или небольших астероидов (от 10 см до 10 км в диаметре), так как его влияние наиболее существенно для этих тел.

История открытия

Эффект был обнаружен польско- российским инженером-строителем Иваном Осиповичем Ярковским (1844–1902), который в свободное время работал в России над научными проблемами. В своей брошюре около 1900 года Ярковский отмечал, что ежедневное нагревание вращающегося объекта в космосе заставит его испытать силу, которая, будучи крошечной, может привести к большим долгосрочным эффектам на орбитах малых тел, особенно метеороидов. и небольшие астероиды . Понимание Ярковского было бы забыто, если бы не эстонский астроном Эрнст Й. Опик (1893–1985), который читал брошюру Ярковского где-то в 1909 году. Десятилетия спустя Эпик, вспоминая брошюру, обсуждал возможное значение Ярковского. влияние на движение метеороидов вокруг Солнечной системы .

Механизм

Эффект Ярковского является следствием того, что изменение температуры обогреваемого радиацией объекта (и, следовательно, интенсивности теплового излучения от объекта) отстает от изменений приходящей радиации. То есть поверхности объекта требуется время, чтобы нагреться при первом освещении, и нужно время, чтобы остыть, когда освещение прекращается. В общем, есть два компонента:

  • Дневной эффект: на вращающемся теле, освещенном Солнцем (например, астероид или Земля), поверхность нагревается солнечным излучением днем ​​и охлаждается ночью. Из-за тепловых свойств поверхности существует задержка между поглощением излучения Солнца и излучением излучения в виде тепла, поэтому самая теплая точка на вращающемся теле находится вокруг участка «2 PM» на поверхности, или чуть позже полудня. Это приводит к различию между направлениями поглощения и повторного испускания излучения, что дает результирующую силу вдоль направления движения орбиты. Если объект является прямым вращателем, сила действует в направлении движения орбиты и заставляет большую полуось орбиты неуклонно увеличиваться; объект по спирали удаляется от Солнца. Ретроградной ротатор спирали внутрь. Суточный эффект является доминирующим компонентом для тел диаметром более 100 м.
  • Сезонный эффект: это легче всего понять для идеализированного случая невращающегося тела, вращающегося вокруг Солнца, для которого каждый «год» состоит ровно из одного «дня». Когда он движется по своей орбите, «сумеречное» полушарие, которое нагревается в течение длительного предшествующего периода времени, неизменно оказывается в направлении орбитального движения. Избыток теплового излучения в этом направлении вызывает тормозную силу, которая всегда вызывает спиральное движение внутрь к Солнцу. На практике для вращающихся тел этот сезонный эффект увеличивается вместе с наклоном оси . Он доминирует только в том случае, если суточный эффект достаточно мал. Это может происходить из-за очень быстрого вращения (нет времени остыть на ночной стороне, отсюда почти равномерное продольное распределение температуры), небольшого размера (все тело нагревается на всем протяжении) или осевого наклона, близкого к 90 °. Сезонный эффект более важен для небольших фрагментов астероидов (от нескольких метров до примерно 100 м), при условии, что их поверхности не покрыты изолирующим слоем реголита и они не имеют чрезвычайно медленного вращения. Кроме того, в очень длительных временных масштабах, в течение которых ось вращения тела может многократно изменяться из-за столкновений (и, следовательно, также изменяется направление суточного эффекта), сезонный эффект также будет иметь тенденцию преобладать.

В общем, эффект зависит от размера и затронет большую полуось более мелких астероидов, в то время как большие астероиды практически не затронуты. Для астероидов километрового размера эффект Ярковского незначителен за короткие периоды: сила на астероиде 6489 Голевка была оценена в 0,25 ньютона при чистом ускорении 10 −12  м / с 2 . Но это устойчиво; за миллионы лет орбита астероида может быть достаточно возмущена, чтобы перенести его из пояса астероидов во внутренние районы Солнечной системы.

Механизм более сложен для тел, находящихся на сильно эксцентрических орбитах.

Измерение

Впервые эффект был измерен в 1991–2003 годах на астероиде 6489 Голевка . Астероид дрейфовал на 15 км от своего предсказанного положения за двенадцать лет (орбита была установлена ​​с большой точностью серией радиолокационных наблюдений в 1991, 1995 и 1999 годах с радиотелескопа Аресибо ).

Без прямых измерений очень сложно предсказать точный результат эффекта Ярковского на орбите данного астероида. Это связано с тем, что величина эффекта зависит от многих переменных, которые трудно определить из ограниченной доступной информации наблюдений. К ним относятся точная форма астероида, его ориентация и альбедо . Расчеты дополнительно усложняются эффектами затенения и теплового «повторного освещения», вызванными либо локальными кратерами, либо возможной общей вогнутой формой. Эффект Ярковского также конкурирует с радиационным давлением , суммарный эффект которого может вызывать аналогичные небольшие долговременные силы для тел с вариациями альбедо или несферической формы.

Например, даже для простого случая чисто сезонного эффекта Ярковского на сферическом теле, движущемся по круговой орбите с наклоном 90 ° , изменения большой полуоси могут отличаться в два раза в случае равномерного альбедо. и случай сильной асимметрии альбедо север-юг. В зависимости от орбиты и оси вращения объекта изменение большой полуоси по Ярковскому может быть отменено простым изменением формы от сферической к несферической.

Несмотря на эти трудности, использование эффекта Ярковского является одним из исследуемых сценариев изменения курса потенциально сближающихся с Землей астероидов . Возможные стратегии отклонения астероида включают в себя «рисование» поверхности астероида или фокусировку солнечного излучения на астероид, чтобы изменить интенсивность эффекта Ярковского и таким образом изменить орбиту астероида от столкновения с Землей. Миссия OSIRIS-REx , запущенная в сентябре 2016 года, изучает эффект Ярковского на астероиде Бенну .

В 2020 году астрономы Ярковского подтвердили ускорение астероида 99942 Апофис . Полученные данные имеют отношение к предотвращению столкновения с астероидами, поскольку считалось, что 99942 Апофис имеет очень небольшую вероятность столкновения с Землей в 2068 году, а эффект Ярковского был значительным источником неопределенности прогнозов. В 2021 году междисциплинарное сотрудничество профессионалов и любителей объединило спутниковые и наземные радиолокационные измерения Gaia с любительскими наблюдениями за затмением звезд для дальнейшего уточнения орбиты 99942 Апофиса и измерения ускорения Ярковского с высокой точностью, с точностью до 0,5%. С их помощью астрономы смогли исключить возможность столкновения с Землей как минимум на следующие 100 лет.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки