Микрометеороид — это крошечный метеороид : небольшая частица камня в космосе, обычно весом менее грамма . Микрометеорит — это такая частица, которая переживает прохождение через атмосферу Земли и достигает поверхности Земли.
Термин «микрометеороид» был официально исключен Международным астрономическим союзом в 2017 году как избыточный по отношению к термину «метеороид». [1]
Микрометеороиды — это очень маленькие кусочки камня или металла, отколовшиеся от более крупных кусков камня и мусора, часто датируемых временем зарождения Солнечной системы . Микрометеороиды чрезвычайно распространены в космосе. Крошечные частицы вносят основной вклад в процессы космического выветривания . Когда они попадают на поверхность Луны или любого безвоздушного тела ( Меркурия , астероидов и т. д.), в результате происходит плавление и испарение, что вызывает потемнение и другие оптические изменения в реголите .
Микрометеориты имеют менее стабильные орбиты , чем метеороиды, из-за большего отношения площади поверхности к массе . Микрометеориты, которые падают на Землю, могут предоставить информацию о событиях нагрева в миллиметровом масштабе в солнечной туманности . Метеориты и микрометеориты (как их называют по прибытии на поверхность Земли) можно собирать только в областях, где нет земной седиментации , обычно в полярных регионах. Лед собирают, затем плавят и фильтруют, чтобы микрометеориты можно было извлечь под микроскопом.
Достаточно малые микрометеориты избегают значительного нагрева при входе в атмосферу Земли. [ 2] Сбор таких частиц высотными самолетами начался в 1970-х годах, [3] с тех пор эти образцы собранной в стратосфере межпланетной пыли (называемые частицами Браунли до подтверждения их внеземного происхождения) стали важным компонентом внеземных материалов, доступных для изучения в лабораториях на Земле.
В 1946 году во время метеорного потока Джакобиниды Хельмут Ландсберг собрал несколько небольших магнитных частиц, которые, по-видимому, были связаны с потоком. [4] Фред Уиппл был заинтригован этим и написал статью, в которой показал, что частицы такого размера были слишком малы, чтобы сохранять свою скорость при столкновении с верхними слоями атмосферы . Вместо этого они быстро замедлялись и затем падали на Землю нерасплавленными. Чтобы классифицировать эти виды объектов, он ввел термин « микрометеорит ». [5]
Уиппл в сотрудничестве с Флетчером Уотсоном из Гарвардской обсерватории возглавил попытку построить обсерваторию для непосредственного измерения скорости метеоров, которые можно было бы увидеть. В то время источник микрометеоритов не был известен. Прямые измерения в новой обсерватории использовались для определения источника метеоров, демонстрируя, что основная часть материала осталась от кометных хвостов, и что ни один из них не может быть доказан как имеющий внесолнечное происхождение. [6] Сегодня понятно, что метеороиды всех видов являются остаточным материалом от формирования Солнечной системы, состоящим из частиц из межпланетного пылевого облака или других объектов, состоящих из этого материала, таких как кометы. [7]
Ранние исследования основывались исключительно на оптических измерениях. В 1957 году Ганс Петтерссон провел одно из первых прямых измерений падения космической пыли на Землю, оценив его в 14 300 000 тонн в год. [8] Это предполагало, что поток метеороидов в космосе был намного выше, чем число, основанное на наблюдениях телескопа. Такой высокий поток представлял очень серьезный риск для высокоорбитальных капсул Apollo и для миссий на Луну. Чтобы определить, были ли точны прямые измерения, последовало несколько дополнительных исследований, включая спутниковую программу Pegasus , Lunar Orbiter 1 , Luna 3 , Mars 1 и Pioneer 5. Они показали, что скорость прохождения метеоров в атмосферу, или поток, соответствовала оптическим измерениям, около 10 000–20 000 тонн в год. [9] Программа Surveyor определила, что поверхность Луны относительно каменистая. [10] Большинство лунных образцов, возвращенных в ходе программы «Аполлон» , имеют на своих верхних поверхностях следы от ударов микрометеоритов, обычно называемые «ямками от ударов». [11]
Микрометеориты представляют значительную угрозу для исследования космоса . Средняя скорость микрометеоритов относительно космического корабля на орбите составляет 10 километров в секунду (22 500 миль в час). Устойчивость к воздействию микрометеоритов является существенной проблемой проектирования для разработчиков космических кораблей и скафандров ( см. Тепловая одежда для защиты от микрометеоритов ). В то время как крошечные размеры большинства микрометеоритов ограничивают наносимый ущерб, высокоскоростные удары будут постоянно разрушать внешнюю оболочку космического корабля способом, аналогичным пескоструйной обработке . Длительное воздействие может поставить под угрозу функциональность систем космического корабля. [12]
Удары небольших объектов с чрезвычайно высокой скоростью (10 километров в секунду) являются актуальной областью исследований в терминальной баллистике (хотя ускорение объектов до таких скоростей затруднительно; современные методы включают линейные двигатели и кумулятивные заряды ). Риск особенно высок для объектов, находящихся в космосе в течение длительных периодов времени, таких как спутники . [12] Они также представляют собой серьезные инженерные проблемы в теоретических недорогих подъемных системах, таких как ротоваторы , космические лифты и орбитальные дирижабли. [13] [14]
Работа Уиппла предшествовала космической гонке и оказалась полезной, когда исследование космоса началось всего несколько лет спустя. Его исследования показали, что вероятность столкновения с метеороидом, достаточно большим, чтобы уничтожить космический корабль, была крайне мала. Однако космический корабль почти постоянно подвергался бы ударам микрометеоритов, размером с пылинки. [6]
Whipple уже разработал решение этой проблемы в 1946 году. Первоначально известный как «метеоритный бампер», а теперь называемый щитом Whipple , он состоит из тонкой фольгированной пленки, удерживаемой на небольшом расстоянии от корпуса космического корабля. Когда микрометеороид ударяется о фольгу, он испаряется в плазму, которая быстро распространяется. К тому времени, как эта плазма пересекает зазор между щитом и космическим кораблем, она настолько рассеивается, что не может проникнуть в структурный материал ниже. [15] Щит позволяет построить корпус космического корабля только той толщины, которая необходима для структурной целостности, в то время как фольга добавляет немного дополнительного веса. Такой космический корабль легче, чем тот, у которого панели предназначены для непосредственной остановки метеороидов.
Для космических аппаратов, которые проводят большую часть времени на орбите, некоторые разновидности щита Уиппла были почти универсальными на протяжении десятилетий. [16] [17] Более поздние исследования показали, что плетеные щиты из керамического волокна обеспечивают лучшую защиту от сверхскоростных (~7 км/с) частиц, чем алюминиевые щиты равного веса. [18] Другая современная конструкция использует многослойную гибкую ткань , как в конструкции NASA для ее никогда не летавшего расширяемого космического жилого модуля TransHab , [19] и расширяемого модуля активности Bigelow , который был запущен в апреле 2016 года и прикреплен к МКС для двух лет орбитальных испытаний. [20] [21]