научная статья по теме ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ И ДВИЖЕНИЕ ПЫЛИ ВБЛИЗИ ПОВЕРХНОСТИ АСТЕРОИДА Астрономия

Текст научной статьи на тему «ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ И ДВИЖЕНИЕ ПЫЛИ ВБЛИЗИ ПОВЕРХНОСТИ АСТЕРОИДА»

АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2014, том 48, № 1, с. 24-34

УДК 523.3-1/-8

ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ И ДВИЖЕНИЕ ПЫЛИ ВБЛИЗИ ПОВЕРХНОСТИ АСТЕРОИДА

© 2014 г. Н. Д. Борисов1, А. В. Захаров2

ИЗМИРАН, Москва, Троицк 2ИКИ РАН, Москва Поступила в редакцию 14.02.2013 г.

В работе рассматривается электризация и движение пыли вблизи поверхности астероида. Показывается, что, несмотря на малость силы тяжести, для отрыва заряженных пылинок от поверхности необходимы сильные электрические поля. Обсуждается механизм формирования подобных полей и приводятся результаты расчетов движения пылинок различных размеров в электрических полях вблизи темной стороны поверхности астероида. Отмечается, что наиболее заметное движение пылинок, как и в случае Луны, следует ожидать в некоторой окрестности терминатора.

DOI: 10.7868/S0320930X14010010

ВВЕДЕНИЕ

Электрические поля играют важную роль в поведении пыли вблизи различных космических тел. Под влиянием электрических сил может происходить слипание пылинок (Ксанфомалити, 1977), а также их движение, например, у поверхности Луны (Berg и др., 1973; 1976), вблизи спутников Юпитера (Hamilton, Krueger, 2008). Формирование спиц в кольцах Сатурна и заполнение пылью кратеров на астероиде Эрос также связывают с движением пыли в электрических полях (Farmer, 2005; Hughes и др., 2008).

Эксперимент LEAM, осуществленный астронавтами, высадившимися на Луну с Apollo-17, ясно показал, что частицы лунной пыли наиболее энергично движутся вблизи поверхности в окрестности терминатора. В то же время движение пылинок регистрировалось (хотя и с меньшей интенсивностью) на темной стороне Луны весьма далеко от терминатора (Berg и др., 1976). В ряде работ была высказана идея, что вблизи терминатора, где еще воздействует на поверхность солнечное УФ-излучение, могут возникать сильные локальные электрические поля, способные вызывать движение частиц лунной пыли (Criswell, 1973; Rennilson, Criswell, 1974; De, Criswell, 1977). В дальнейшем механизм электризации пылинок под действием солнечного УФ-излучения привлекался для изучения движения пыли над астероидами (Lee, 1996), а также с целью объяснить заполнение пылью кратеров на астероиде Эрос (Collwell и др., 2005; Hughes и др., 2008). Однако в отмеченных работах использовалось выражение для электрического заряда пылинки в поле над поверхностью и не учитывалось, что заряд той же

пылинки, лежащей на поверхности, значительно меньше. Поэтому условия отрыва пылинки от поверхности были исследованы некорректно.

В настоящей статье, являющейся продолжением работ одного из авторов (Borisov, Mall, 2002; 2006), теоретически исследуется механизм движения пыли вблизи поверхности на темной стороне астероида. Этот вопрос ранее совсем не исследовался. Вместе с тем он может представлять значительный интерес для изучения движения пыли в электрических полях, поскольку, во-первых, на темной стороне так же, как и в области терминатора, могут формироваться сильные электрические поля, а во-вторых, пылинки проводят значительно больше времени на темной стороне, нежели в области терминатора. В отличие от выполненных ранее работ, мы будем интересоваться не заполнением пылью кратеров, а исследованием, как высоко может подняться пылинка над темной стороной астероида. Как известно, на поверхности космических тел, лишенных атмосферы, возникает электрический потенциал (положительный на освещенной стороне и отрицательный на темной стороне), а вблизи поверхности формируется двойной слой (Singer, Walker, 1962; Borisov, Mall, 2002). Физическая причина появления электрического потенциала и двойного слоя заключается в том, что невозмущенные потоки электронов и ионов солнечного ветра к поверхности не равны друг другу и для того, чтобы их уравновесить, поверхность приобретает электрический заряд. Если электропроводность поверхности очень мала (как в случае Луны), то условие отсутствия в стационарных условиях электрического тока на поверхности является локальным, т.е. потенциал

устанавливается в каждой точке. При этом в области терминатора электрический потенциал отрицателен и для Луны по разным оценкам составляет ф ~ —(50—100) В, а на темной стороне может достигать нескольких сот вольт или даже быть порядка одного киловольта со знаком минус (Borisov, Mall, 2002; 2006). Для отрыва заряженной пылинки от поверхности астероида необходимо, чтобы электрическая сила была больше силы тяжести и силы прилипания к поверхности (адгезии). Несмотря на то, что сила тяжести на астероиде крайне мала, несложные оценки показывают, что даже в пренебрежении силой прилипания электрическое поле двойного слоя недостаточно, чтобы оторвать от поверхности пылинку с размерами, составляющими десятые доли микрона или более. Причина заключается в том, что равновесный заряд пылинки, лежащей на поверхности, на несколько порядков меньше равновесного заряда той же отдельно взятой пылинки в двойном слое над поверхностью. Указанные выше оценки были получены в работах (Borisov, Mall, 2002; 2006) без учета влияния тока вторичных электронов. Вторичные электроны, которые выбиваются с поверхности тела достаточно энергичными первичными электронами, уменьшают как абсолютную величину потенциала поверхности на темной стороне, так и величину нормальной компоненты электрического поля. Как следствие этого, отрыв пылинок от поверхности становится еще более проблематичным. Таким образом, для объяснения экспериментальных данных, связанных с движением пыли, необходимы сильные электрические поля, возникающие не только в непосредственной близости от терминатора, но и вдали. Механизм формирования подобных полей применительно к Луне был предложен ранее в работе (Borisov, Mall, 2006). В настоящей работе этот механизм применяется с целью исследования движения пыли вблизи астероида. Мы покажем, что в сильных локальных электрических полях пылинка приобретает достаточную скорость, чтобы подняться на значительную высоту. Наши расчеты свидетельствуют, что динамика пылинки в двойном слое (в зависимости от ее размеров) может быть достаточно сложной. Заряд пылинки во время ее движения начинает нарастать по абсолютной величине, стремясь приблизиться к своему стационарному значению, при котором полный ток на поверхность пылинки от всех заряженных частиц равен нулю. Рост заряда придает дополнительное ускорение пылинке, и в результате она может приобрести скорость порядка или больше второй космической скорости (которая для астероида Эрос составляет примерно 10 м/с). Таким образом, некоторая часть пылинок совсем покидает астероид, а другая часть поднимается под действием электрических сил на различные высоты (в зависимости от размера) за

астероидом. Поскольку астероид вращается, все новые пылинки отрываются от поверхности и включаются в подобное движение. Теоретическому изучению динамики пылинок за астероидом посвящена настоящая статья.

Статья состоит из Введения, трех основных разделов и Заключения. В первом из основных разделов формулируется постановка задачи и приводятся исходные уравнения. Во втором разделе исследуется формирование на темной стороне двойного слоя. Третий раздел посвящен изучению динамики пылинок различных размеров во времени на темной стороне астероида. В заключении дается обсуждение основных результатов работы.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ИСХОДНЫЕ УРАВНЕНИЯ

Вместо весьма сложной формы реального астероида для упрощения анализа мы будем рассматривать цилиндр радиуса Да. Положим, что ось цилиндра направлена по оси г, а солнечный ветер со скоростью распространяется вдоль оси х в горизонтальной плоскости, т.е. в плоскости, ортогональной оси г. Для дальнейшего целесообразно ввести также цилиндрическую систему координат г, 9, полагая, что терминаторам соответствуют углы 9 = 0 и 9 = я, направлению распространения солнечного ветра — угол 9 = я/2, а центру цилиндра, представляющего астероид, — радиус г = 0.

Будем считать, что поверхность астероида покрыта пылью и электропроводность поверхностного слоя близка к нулю. В стационарных условиях суммарный ток всех заряженных частиц на единицу поверхности должен быть равен нулю. Основными компонентами солнечного ветра, вносящими вклад в электрический ток, являются тепловые (распределенные по Больцману) электроны и протоны. Помимо этого необходимо учитывать сверхтепловые "хвосты" для обоих типов частиц, которые часто убывают с ростом энергии степенным образом. Иногда полагают, что подобные сверхтепловые "хвосты" также могут быть смоделированы с помощью больцманов-ского распределения с некоторой достаточно высокой температурой Тн. В настоящей работе мы воспользуемся подобным приближением. Наконец, в общем случае следует принимать во внимание появление вторичных электронов, выбиваемых с поверхности энергичными электронами. В соответствии со сказанным выше функцию распределения электронов солнечного ветра по скоростям Ге мы представим в виде двух распределений Больцмана с различными тепловыми скоростями (уе для основной тепловой компоненты и для сверхтепловых электронов). Обе функции

распределения сдвинуты по оси х на величину скорости солнечного ветра и8№.

К = No 3

(72я ve) |Nq

exp

Г í(vx - Usw)2 + V1 + Vf

+

(Jlñ veH)

exp

( Vx - usw)2 + V2 + v2

(1)

2v

eH

Здесь N — концентрация тепловых электронов, а ^ — отношение концентрации сверхтепловых электронов к концентрации тепловых частиц. Аналогичным образом может быть представлено распределение ионов солнечного ветра по скоростям Ш,

Ft =

N

(72П v¡) (72П víh)

exp

exp

í(vx - Usw)2 + v2 + 1 33 2 2 V

(vx - Usw)2 + v2 + V3 33 2 2 viH

(2)

где VI и Vш — скорости тепловых и сверхтепловых ионов соответственно.

Вторичные электроны, выбиваемые с поверхности тела быстрыми первичными электронами, характеризуются своим выходом 8, зависящим от энергии №(81егп§1а88, 1954).

S( W) = 7.4SmWW exp

'' m

(3)

Здесь Wm ~ 200—300 эВ есть некоторая характерная энергия, Sm — коэффициент, зависящий от материала поверхности. Для изоляторов этот коэффициент обычно больше единицы и может достигать значений Sm « 30. Следует отметить, что формула (3) является весьма грубым приближением к действительности.

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком