Пыль и пылевая плазма в Солнечной системе
С.И.Попель
Трудно представить себе заполненную плазмой область Солнечной системы, свободную от мелкодисперсных пылевых частиц. Нано- и микромасштабные пылевые частицы обнаруживаются в межпланетном космическом пространстве, в плазме ионосфер и магнитосфер планет Солнечной системы, в планетарных кольцах, в окрестностях космических тел, не имеющих собственной атмосферы — таких как Луна, Меркурий, астероиды, кометы и др. Пожалуй, есть лишь одно исключение из этого правила — собственно Солнце и область в непосредственной близости от него, где из-за высоких температур пыль существовать не может. Рассеяние солнечного излучения на частицах межпланетной пыли формирует Б-компоненту спектра солнечной короны.
В результате взаимодействия с электронами и ионами окружающей плазмы, а также под действием солнечного излучения пылевые частицы приобретают электрический заряд и становятся одним из важных компонентов среды, существенно влияющим на ее свойства и динамику [1]. Плазму, содержащую электроны, ионы, нейтральные частицы, а также заряженные твердые частицы и/или жидкие капли, которые либо самопроизвольно образуются в плазме в результате различных процессов, либо вводятся туда извне,
© Попель С.И., 2015
Сергей Игоревич Попель, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией плазменно-пы-левых процессов в космических объектах ИКИ РАН. Область научных интересов — космическая плазма, комплексная (пылевая) плазма, нано- и микроструктурные объекты и пыль в природе, явления самоорганизации, волновые процессы, сильные возмущения в природе и лаборатории, включая ударные волны.
принято называть пылевой. Для обозначения плазменно-пылевых систем пользуются и другими терминами: «комплексная плазма», «коллоидная плазма», «плазма с конденсированной дисперсной фазой», а также «плазма мелкодисперсных частиц». Первые два наименования употребляются наиболее часто. Применительно к космической плазме, которая содержит заряженные пылевые частицы, приводящие к тем или иным физическим и/или динамическим последствиям, в основном употребляют понятие «пылевая плазма».
Что интересно и почему?
В планетологии нано- и микроразмерные компоненты выступают в качестве основных элементов структуры космических тел, поэтому исследования природных нано- и микроразмерных пылевых объектов могут привести к расширению наших представлений о фундаментальных процессах геологии и планетообразования [2]. Так, например, протопланетная пыль имеет размеры от 10 нм до 150 нм. Она относится к хондритам класса С1. Если проанализировать состав углистых хондритов, получаются минералы, входящие в состав мантии Земли. Можно сделать вывод, что по крайней мере планеты земной группы произошли из наномасштабных частиц, состав которых отвечает углистым хондритам. Есть серьезные аргументы в пользу предположения, что Солнечная система в свое время сформировалась из плазмы, содержащей заряженные пылевые частицы [3]. Таким образом, изучение мелкодисперсных пылевых частиц и пылевой
плазмы в Солнечной системе, ионосферах и магнитосферах Земли и других планет может дать новую информацию о межзвездном веществе, механизмах планетообразования и т.д.
Интерес к описанию пылевой космической плазмы резко возрос в конце 1990-х годов, что было связано с разработкой к тому времени теоретических методов исследования пылевой плазмы, в том числе и в природных системах [1]. Важная ее особенность — быстрая зарядка пылевых частиц, идущая за счет ряда процессов, среди которых можно выделить рекомбинацию электронов и ионов на поверхности пылевых частиц, фотоэффект и др. Наличие заряженной пыли существенным образом сказывается на коллективных процессах, т.е. процессах, связанных с наличием колебаний или шумов конечной амплитуды (взаимодействие которых с частицами заметно влияет на макроскопические свойства плазмы), на процессах самоорганизации в среде, а также на ее диссипа-тивных свойствах. Присутствие массивных (по сравнению с ионами и электронами) заряженных пылевых частиц изменяет характерные пространственные и временные масштабы в плазме, а в ряде ситуаций даже порождает новую физику тех или иных явлений. Изменяемость (в зависимости от текущих параметров плазмы) зарядов пылевых частиц модифицирует спектры волн, распространяющихся в среде, влияет на эффекты затухания волн, определяет характер развития не-устойчивостей и нелинейных процессов и т.д. Процессы самоорганизации в пылевой плазме приводят к формированию капель, облаков, разного рода структур, плазменно-пылевых кристаллов и т.д.
В последние годы существенно усилился интерес и к непосредственному изучению космических пылевых частиц. Была организована миссия НАСА «Stardust» («Звездная пыль»), одна из основных целей которой — сбор и доставка на Землю частиц из окрестностей ядра кометы 81 P/Wild 2 — была успешно реализована 15 января 2006 г., когда капсула с образцами кометного вещества вернулась на Землю [4]. В недавней американской миссии LADEE («Lunar Atmosphere and Dust
Environment Explorer» — «Исследователь лунной атмосферы и пылевой среды») [5] лунная пыль изучалась с помощью наблюдений с орбиты. В России готовятся миссии «Луна-25» и «Луна-27». На посадочных модулях станций «Луна-25 и -27» предполагается разместить аппаратуру [6], которая будет исследовать свойства пылевой плазмы над поверхностью Луны (рис.1). Посадка спускаемых аппаратов планируется в области высоких широт в южной полусфере Луны, что существенным образом отличает эти миссии от всех более ранних миссий, когда прилунения осуществлялись недалеко от экватора.
Поэтому, рассказывая о свойствах пыли/пылевой плазмы в пространстве вокруг Солнца, особое внимание уделим ее состоянию над поверхностью Луны, важному для успешного осуществления экспериментов в рамках будущих проектов «Луна-25 и -27».
Рис.1. Схема расположения аппаратуры для исследования пылевой плазмы у поверхности Луны на станциях «Луна-25 и -27». Отмечены инструменты регистрации пылевой плазмы: пьезоэлектрические ударные сенсоры IS; выносные датчики электрического поля ES; камеры для оптических наблюдений (стереокаме-ра Cam S и обзорные камеры Cam O).
Зодиакальное пылевое облако
Межпланетная пыль распределена по Солнечной системе неравномерно: основное ее количество концентрируется в плоскости эклиптики. Это скопление пыли, заполняющей межпланетное пространство между Землей и Солнцем, называется зодиакальным пылевым облаком. Содержание пыли в нем падает по мере удаления от Солнца и от плоскости эклиптики. Солнечное излучение, рассеиваясь на частицах этого облака, дает зодиакальный свет. На основе наблюдений последнего космическими зондами «Helios-1 и -2» на расстояниях от 0.3 до 1 а.е. до Солнца были выполнены измерения концентраций пыли n в зависимости от расстояний r до Солнца. Оказалось, что в плоскости эклиптики n ~ г1'3. Результаты наблюдений указывают на существенный вклад в зодиакальный свет на расстоянии 1 а.е. от Солнца рассеяния на микромасштабных частицах размерами 1 — 100 мкм [7].
Источником мелких частиц, заполняющих Солнечную систему, служат разрушающиеся ядра комет и столкновения тел в поясе астероидов. Самые мелкие частицы постепенно приближаются к Солнцу в результате эффекта Пойнтинга—Ро-бертсона. Этот эффект заключается в том, что давление солнечного света на движущуюся частицу направлено не точно по линии Солнце—частица, а из-за аберрации света отклонено назад по отношению к ее скорости и потому тормозит ее движение. Хотя пылевые частицы, как правило, и состоят из тугоплавких материалов, при приближении к Солнцу до расстояний в несколько солнечных радиусов R@ важным становится процесс сублимации. Он происходит на разных расстояниях от Солнца для частиц различных размеров, что обусловлено сильной зависимостью температуры частицы от ее размера. В результате сублимации при уменьшении радиуса частицы до ~500 нм отношение силы давления солнечного света к силе солнечной гравитации увеличивается. Увеличение этого отношения уравновешивает силу дрейфа Пойнтинга— Робертсона, и, таким образом, происходит накопление субмикронных и микромасштабных частиц в зоне их сублимации. Вертикальная структура пылевого облака на расстояниях от Солнца, не превосходящих 10R0, имеет следующий вид [7]: частицы с размерами, превышающими 10 мкм, находятся в диске с типичной толщиной в десятки градусов; частицы размером не-
сколько микрометров заполняют более широкий объем, имеющий также форму диска; субмикронные частицы формируют вокруг Солнца гало почти сферической формы с радиусом, большим 1OR0.
Кометная пыль
Высвобождение пыли при разрушении ядер комет происходит следующим образом. Приближаясь к Солнцу, комета обычно приобретает характерную структуру: видимый гигантский хвост, ядро (как правило, невидимое) очень маленького размера по сравнению с хвостом, а также атмосферу, окружающую ядро, — ее называют комой кометы. Кома и хвост формируются как следствие истечения вещества из ядра кометы. В ядре ледяные слои из замороженных газов чередуются с пылевыми слоями. По мере прогревания солнечным излучением образующиеся в результате возгонки газы вытекают наружу, увлекая за собой облака пыли. В результате ядро кометы становится источником газопылевого потока, движущегося (вслед за ядром) навстречу солнечному ветру.
На рис.2 представлена фотография кометы Хей-ла—Боппа. На ней видны два хвоста, четко разделенные в плоскости неба. Верхний, направленный в противоположную от Солнца сторону, образуют главным образом увлекаемые солнечным ветром ионы СО+, которые и придают голубой оттенок цвету этого хвоста. В нижнем (белом) хвосте летят пылевые частицы размером около 1 мкм. Пыль из
Рис.2. Фотография кометы Хейла—Боппа, снятая 14 марта 1997 г. в Европейской южной обсерватории. Верхний хвост кометы состоит в основном из ионов нижний — из пылевых частиц размером ~1 мкм.
www.eso.org
Таблица
Размеры и плотности микрочастиц космической пыли
Радиус, см 1.0-10-5 1.44-10-5 1.77-10-5 2.04-10-5 2.98-10-5 4.51-10-5 6.63-10-5 1.02-10-4 2.36-10-1 5.57-10-1
Плотность,
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.