Сила, действующая на вращающееся тело в пространстве
Эффект Ярковского:
Излучение с поверхности астероида
Астероид с прямым вращением
2.1. Местоположение с "После полудня"
Орбита астероида
Излучение 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 (диаметром около 10 см — 10 км), поскольку его влияние наиболее существенно для этих тел.
История открытия
Эффект был открыт польско -русским [1] инженером-строителем Иваном Осиповичем Ярковским (1844–1902), который работал в России над научными проблемами в свободное время. В своей брошюре около 1900 года Ярковский отметил, что ежедневное нагревание вращающегося объекта в космосе заставит его испытывать силу, которая, хотя и мала, может привести к большим долгосрочным эффектам на орбитах малых тел, особенно метеороидов и небольших астероидов . Прозрение Ярковского было бы забыто, если бы не эстонский астроном Эрнст Й. Эпик (1893–1985), который прочитал брошюру Ярковского где-то около 1909 года. Спустя десятилетия Эпик, вспоминая брошюру по памяти, обсудил возможную важность эффекта Ярковского для движения метеороидов вокруг Солнечной системы . [2]
Механизм
Эффект Ярковского является следствием того, что изменение температуры объекта, нагретого излучением (и, следовательно, интенсивности теплового излучения от объекта), отстает от изменения входящего излучения. То есть, поверхности объекта требуется время, чтобы нагреться при первом освещении, и требуется время, чтобы остыть при прекращении освещения. В целом, эффект состоит из двух компонентов:
Суточный эффект: На вращающемся теле, освещенном Солнцем (например, астероиде или Земле), поверхность нагревается солнечной радиацией в течение дня и охлаждается ночью. Тепловые свойства поверхности вызывают задержку между поглощением излучения от Солнца и испусканием излучения в виде тепла, поэтому самая теплая точка на вращающемся теле находится около места «2 PM» на поверхности, или немного после полудня. Это приводит к разнице между направлениями поглощения и повторного испускания излучения, что дает чистую силу вдоль направления движения орбиты. Если объект является прямым ротатором, сила направлена в направлении движения орбиты и заставляет большую полуось орбиты неуклонно увеличиваться; объект движется по спирали от Солнца . Ретроградный ротатор движется по спирали внутрь. Суточный эффект является доминирующим компонентом для тел с диаметром более примерно 100 м. [3]
Сезонный эффект: Это проще всего понять для идеализированного случая невращающегося тела, вращающегося вокруг Солнца, для которого каждый «год» состоит ровно из одного «дня». По мере того, как он движется по своей орбите, «сумеречное» полушарие, которое нагревалось в течение длительного предшествующего периода времени, неизменно находится в направлении орбитального движения. Избыток теплового излучения в этом направлении вызывает тормозящую силу, которая всегда вызывает вращение по спирали внутрь к Солнцу. На практике для вращающихся тел этот сезонный эффект увеличивается вместе с осевым наклоном . Он доминирует только в том случае, если суточный эффект достаточно мал. Это может происходить из-за очень быстрого вращения (нет времени для охлаждения на ночной стороне, отсюда почти равномерное продольное распределение температуры), малого размера (все тело нагревается по всей длине) или осевого наклона, близкого к 90°. Сезонный эффект более важен для более мелких фрагментов астероида (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 неоднократно изменяться в результате столкновений (и, следовательно, также изменяться направление суточного эффекта), сезонный эффект также будет иметь тенденцию к доминированию. [3]
В целом, эффект зависит от размера и будет влиять на большую полуось меньших астероидов, оставляя крупные астероиды практически нетронутыми. Для астероидов размером с километр эффект Ярковского незначителен в течение коротких периодов: сила, действующая на астероид 6489 Голевка , оценивается в 0,25 ньютона для чистого ускорения 10 −12 м/с 2 . Но он устойчив; за миллионы лет орбита астероида может быть достаточно возмущена, чтобы переместить его из пояса астероидов во внутреннюю часть Солнечной системы.
Механизм более сложен для тел, находящихся на сильно эксцентричных орбитах.
Измерение
Эффект был впервые измерен в 1991–2003 годах на астероиде 6489 Голевка . Астероид сместился 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 ). [4]
Без прямого измерения очень трудно 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 наблюдательной информации. К ним относятся точная форма астероида, его ориентация и его альбедо . Расчеты еще больше усложняются эффектами затенения и термического «переосвещения», вызванными как локальными кратерами, так и возможной общей вогнутой формой. Эффект Ярковского также конкурирует с давлением излучения , чье чистое воздействие может вызывать аналогичные небольшие долгосрочные силы для тел с вариациями альбедо или несферическими формами.
Например, даже для простого случая чистого сезонного эффекта Ярковского на сферическом теле на круговой орбите с наклоном 90° изменения большой полуоси могут отличаться в два раза между случаем однородного альбедо и случаем сильной асимметрии альбедо север-юг. В зависимости от орбиты и оси вращения объекта изменение большой полуоси Ярковского может быть обращено вспять простым изменением сферической формы на несферическую.
Несмотря на эти трудности, использование эффекта Ярковского является одним из сценариев, которые изучаются для изменения курса потенциально сталкивающихся с Землей околоземных астероидов . Возможные стратегии отклонения астероидов включают «окрашивание» поверхности астероида или фокусировку солнечного излучения на астероиде для изменения интенсивности эффекта Ярковского и, таким образом, изменения орбиты астероида в сторону от столкновения с Землей. [5] Миссия OSIRIS-REx , запущенная в сентябре 2016 года, изучала эффект Ярковского на астероиде Бенну . [6]
В 2020 году астрономы подтвердили ускорение Ярковского астероида 99942 Апофис . Результаты имеют отношение к предотвращению столкновения с астероидом , поскольку считалось, что у 99942 Апофиса очень малая вероятность столкновения с Землей в 2068 году, а эффект Ярковского был существенным источником неопределенности прогноза. [7] [8]
В 2021 году многопрофильное профессионально-любительское сотрудничество объединило спутниковые и наземные радиолокационные измерения Gaia с любительскими наблюдениями затмения звезд для дальнейшего уточнения орбиты 99942 Апофиса и измерения ускорения Ярковского с высокой точностью, с точностью до 0,5%. Благодаря этому астрономы смогли исключить возможность столкновения с Землей по крайней мере на следующие 100 лет. [9]
^ Бикман, Джордж (2005). «Почти забытый учёный Джон Осипович Ярковский» (PDF) . Журнал Британской астрономической ассоциации . 115 (4): 207. Bibcode :2005JBAA..115..207B. Архивировано из оригинала 2021-08-12 . Получено 2021-08-12 .
^ Öpik, EJ (1951). «Вероятности столкновений с планетами и распределение межпланетной материи». Труды Королевской Ирландской Академии . 54A : 165–199. JSTOR 20488532.
^ ab Bottke, Jr., William F.; et al. (2006). "The Yarkovsky and YORP Effects: Implications for Asteroid Dynamics" (PDF) . Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 34 : 157–191. Bibcode :2006AREPS..34..157B. doi :10.1146/annurev.earth.34.031405.125154. S2CID 11115100. Архивировано (PDF) из оригинала 2021-08-12 . Получено 2021-08-12 .
^ Чесли, Стивен Р.; и др. (2003). «Прямое обнаружение эффекта Ярковского с помощью радара, измеряющего дальность до астероида 6489 Голевка» (PDF) . Science . 302 (5651): 1739–1742. Bibcode :2003Sci...302.1739C. doi :10.1126/science.1091452. PMID 14657492. S2CID 21091302. Архивировано (PDF) из оригинала 2021-08-12 . Получено 2021-08-12 .
^ Рэндалл, Кит (21 февраля 2013 г.). «Астероиды не подходят для краскопульта, говорит профессор». Архивировано из оригинала 2 марта 2013 г. Получено 12 августа 2021 г.Альтернативная ссылка, с видео Архивировано 12.08.2021 на Wayback Machine
^ "OSIRIS-REx - Вопросы и ответы". Архивировано из оригинала 2021-08-12 . Получено 2021-08-12 .
^ "Печально известный астероид Апофис ускоряется | EarthSky.org". earthsky.org . Архивировано из оригинала 2 мая 2021 г. . Получено 10 ноября 2020 г. .
^ Толен, Д.; Фарноккиа, Д. (1 октября 2020 г.). "Обнаружение ускорения Ярковского (99942) Апофиса" (PDF) . AAS/Division for Planetary Sciences Meeting Abstracts . 52 (6): 214.06. Bibcode :2020DPS....5221406T. Архивировано (PDF) из оригинала 12 августа 2021 г. . Получено 12 августа 2021 г. .
^ "Ускорение Апофиса по Ярковскому улучшено за счет звездного затмения". www.cosmos.esa.int . 26 марта 2021 г. Архивировано из оригинала 12 августа 2021 г. Получено 12 августа 2021 г.
Внешние ссылки
Nugent, CR; Margot, JL; Chesley, SR; Vokrouhlický, D. (2012). "Обнаружение дрейфов большой полуоси у 54 астероидов, сближающихся с Землей: новые измерения эффекта Ярковского" (PDF) . The Astronomical Journal . 144 (2): 60. arXiv : 1204.5990 . Bibcode :2012AJ....144...60N. doi :10.1088/0004-6256/144/2/60. S2CID 26376355.
