Методика преподавания астрономии| << Предыдущая |
Методика проведения 6
урока
"Метеороиды"
Цель: знакомство учащихся с физической природой метеороидов на примере рассмотрения основных характеристик астероидов, комет, метеорных тел и межпланетной среды Солнечной системы.
Задачи обучения:
Общеобразовательные:
формирование понятий о метеороидах как
классе космических тел:
- об основных физических характеристиках
метеороидов: движении, массе, размерах,
плотности, химическом составе;
- о классификации метеороидов в зависимости
от их происхождения, плотности и состава;
- о физической природе и основных
характеристиках астероидов;
- о физической природе и основных
характеристиках комет, поясе Койпера и
облаке Оорта;
- о физической природе и основных
характеристиках метеорных тел и частиц
межпланетной среды;
- о физической природе небесных явлений:
болидов, метеоров, метеорных дождях,
серебристых и перламутровых облаках и о
связи метеорных потоков с кометами;
зодиакального света и противосияния;
- о физической природе метеоритов и их
классификации по химическому составу (на
каменные, железокаменные и железные);
- о космическом явлении бомбардировки
метеороидами планетных тел: результатах
столкновений и их роли в формировании
рельефа (образовании кратеров ударного
происхождения) и изменении состава и других
характеристик бомбардируемых тел на
начальных стадиях формирования Солнечной
системы и в настоящее время;
- о значимости столкновений Земли с
метеороидами для эволюции природных ее
оболочек, биосферных катастрофах и
существующих проблемах астероидной и
кометной безопасности земной цивилизации и
угрозах метеорных тел для средств
космонавтики;
- о перспективах использования астероидов и
комет для нужд земной промышленности.
Воспитательные:
1. Формирование научного мировоззрения учащихся:- в ходе знакомства с историей
изучения и природой космических объектов
– астероидов, комет, метеорных тел (метеоритов);
- при объяснении природы небесных явлений:
метеоров, болидов, метеорных ("звездных")
дождей и их связи с кометами;
- при объяснении роли столкновений Земли с
астероидами и кометами в биосферных
катастрофах и эволюции жизни нашей на
планете;
3. Патриотическое воспитание при ознакомлении с ролью российской науки и техники в исследовании комет средствами астрономии и космонавтики.
4. Политехническое образование и трудовое воспитание при изложении сведений:
- об устройстве АМС для
исследования комет и астероидов;
- о практическом применении научных
достижений и средств космонавтики тел для
защиты Земли от столкновений с ядрами комет
и астероидами;
- о перспективах использования астероидов и
комет для нужд земной промышленности.
Развивающие: формирование умений анализировать информацию, составлять классификационные таблицы и схемы, решать задачи с применением подвижной карты звездного неба и на расчет основных физических характеристик космических тел.
Ученики должны знать:
- основные характеристики
метеороидов как класса космических тел;
- об основных характеристиках межпланетной
среды;
- основные группы метеороидов и
представители этих групп в Солнечной
системе;
- об основных физических характеристиках
астероидов: движении, массе, размерах, форме,
химическом составе, физических условиях на
поверхности;
- об основных физических характеристиках
комет: движении, массе, размерах, форме,
химическом составе, физических условиях на
поверхности;
- о физической природе небесных явлений:
болидов, метеоров, метеорных дождей,
серебристых и перламутровых облаков;
- о физической природе и основных классах
метеоритов;
- о результатах столкновения Земли с
метеороидами, образовании ударных кратеров
(астроблем) и биосферных катастрофах;
- о практическом применении научных
достижений и средств космонавтики тел для
защиты Земли от столкновений с ядрами комет
и астероидами и перспективах их
использования для нужд земной
промышленности.
Ученики должны уметь: составлять классификационные таблицы и схемы; использовать обобщенный план для изучения космических объектов; пользоваться подвижной картой звездного неба; решать задачи на расчет характеристик космических тел и вычисление обстоятельств небесных явлений.
Наглядные пособия и демонстрации:
- фотографии, схемы и рисунки
астероидов и комет (пространственного
распределения, орбит, строения комет,
механизма образования хвостов и метеорных
потоков), метеоров, болидов, серебристых
облаков, метеоритов, метеоритных кратеров
на поверхности Луны и планет и астроблем на
земной поверхности;
- диапозитивы из серии слайд-фильмов "Иллюстрированная
астрономия": "Строение Солнечной
системы"; "Малые тела Солнечной
системы"; "Необыкновенные небесные
явления".
- диафильмы (фрагменты диафильмов): "Планеты
и малые тела Солнечной системы"; "Малые
тела Солнечной системы"; "Поверхность
Луны"; "Рассказ о метеоритах и метеорах";
"Небесные камни – метеориты";
- кинофильмы (кинофрагменты): "Движение
кометы вокруг Солнца"; "Метеоры и
метеориты";
- таблицы: "Малые тела Солнечной
системы"; "Кометы и метеоры".
Задание на дом:
1) По учебнику астрономии:
- Б.А. Воронцов-Вельяминова:
повторить § 20; вопросы к параграфу.
- Е.П. Левитана: повторить §§ 16, 17;
вопросы к параграфам.
- А.В. Засова, Э.В. Кононовича: § 20; упр.
20.5.
2. Выполнить задания из сборника задач Воронцова-Вельяминова Б.А. [28]: 259; 262; 268.
3. Дополнительные задачи для учащихся физико-математических классов: выполнить задания из сборника олимпиадных задач В.Г. Сурдина [289]: 11.14; 10.41.
План урока
|
Этапы урока |
Содержание |
Методы изложения |
Время, мин |
|
1 |
Повторение и актуализация астрономического материала |
Беседа |
5-7 |
|
2 |
Изложение нового материала: 1) Метеороиды: общие сведения. |
Лекция, рассказ учителя |
20-25 |
|
3 |
Решение задач |
Работа по группам, беседа |
10-12 |
|
4 |
Подведение итогов урока. Домашнее задание |
3 |
|
Методика изложения материала
Методика проведения данного урока аналогична методике предшествовавших занятий. Вначале - повторение и актуализация учебного материала; основное внимание уделяется вопросам о физической природе, происхождении и основных характеристиках отдельных групп метеороидов: "Что вы знаете о метеороидах? Какие группы метеороидов вам известны? Назовите отличия между ними в основных физических характеристиках, происхождении и химическом составе".
Часть учеников выполняет в это
время программируемые задания:
1. Сборник задач Г.П. Субботина [287],
задания NN 127; 129; 136.
2. Сборник задач Е.П. Разбитной [244],
задания NN 18-1; 19-1; 19-2; 19-3.
Учитель поправляет, уточняет, обобщает ответы учащихся. При изложении нового материала следует обращать внимание учеников на космогонические причины различий между основными группами метеороидов. Нужно, чтобы все ученики понимали причины отсутствия дифференцированного внутреннего строения метеороидов.
На первом этапе изложения нового материала ученики знакомятся с физической природой астероидов:
В настоящее время известно свыше 20 000 крупных астероидов, причем ежегодно открывается десятки новых. Первая сотня астероидов была названа именами древнеримских и древнегреческих богинь, затем астрономы обратились к именам богов из мифов других народов, когда же их запасы иссякли, ученые стали давать астероидам имена героев эпоса. В наши дни астероиды именуются в честь великих людей, выдающихся ученых, философов, национальных героев. Астероид N 852 назван Владлена в честь В. И. Ленина, N 1000 - Пиацция, N 1001 - Гауссия, N 1772 - Гагарин, N 1709 - Руднева и т. д. Право дать название астероиду принадлежит его первооткрывателю и утверждается затем решением международной комиссии ученых. К началу XXI века имена даны более чем 8 935 астероидам.
Группы астероидов, движущиеся по сходным орбитам и, вероятно, связанные общностью происхождения (для некоторых из них ученые реконструировали родительские тела), называются семействами астероидов.
Орбиты 98% астероидов лежат между орбитами Марса и Юпитера, на расстоянии от 2,2 а.е. до 3,2 а. е. от Солнца и представляют собой незамкнутые эллиптически подобные витки с небольшими периодическими колебаниями основных характеристик (большой полуоси, эксцентриситета, наклона к плоскости эклиптики и т.д.), аналогичными прецессии земной оси. Линейная скорость движения астероидов около 20 км/с, период обращения вокруг Солнца от 3 до 9 лет, эксцентриситет орбит 0 < е < 0,2; наклон орбит к плоскости эклиптики 5њ -10њ . Приливное воздействие Юпитера и Марса разделило пояс астероидов на несколько колец "люками Кирквуда" – областями, в которых малые планеты почти не встречаются.
Известно свыше 100 из предположительно 200000 астероидов, периодически сближающихся с орбитой Земли, из них свыше 500 имеют размеры более 1 км. Большая часть их принадлежит к семейству Амура, Аполлона и Атона, проникающих внутрь земной орбиты. Некоторые могут сближаться с Землей до опасного расстояния менее 1 миллиона километров; в том числе 40 километровый Ганимед и 20-километровый Эрос. Некоторые астероиды имеют орбиты, сближающиеся в перигелии с Венерой или даже Меркурием. Астероид Икар проходит перигелий в 28 миллионах км от Солнца.
Известны астероиды (названные в честь героев Троянской войны), орбиты которых лежат в точках Лагранжа на орбите Юпитера. Есть астероиды, вращающиеся между Юпитером и Сатурном.
Размеры и масса самых крупных астероидов: Церера - 1020 ´ 940 км; Паллада - 600 км, 2,2× 1020 кг; Юнона - 525 км. Веста имеет поперечник 530 км, массу 2,8× 1020 кг, на его поверхности обнаружен кратер диаметром 460 км и глубиной 13 км - результат столкновения с другим гигантским астероидом. Они имеют почти сферическую форму и по своим физическим характеристикам являются силикатными планетоидами. Большая часть известных астероидов имеет размеры в несколько десятков километров и бесформенную структуру, поверхность их изрыта кратерами ударного происхождения. По расчетам ученых в поясе астероидов между Марсом и Юпитером должно быть до 106 тел размерами свыше 1 км и миллиарды мелких каменных глыб. Средняя плотность вещества большинства астероидов 3-3,5 г/см3. Общая масса астероидного вещества до 4,2× 1021 кг (до 1/1000 MÅ ).
Химический состав астероидов весьма разнообразен. В зависимости от него астероиды делятся на группы P, D, C, B, F, G, T, S, M, Q, A, V, R, E. Наиболее многочисленны каменные, силикатные S-астероиды с альбедо 0,08 < d < 0,4; базальтовые или углистые, почти черные С-астероиды (0,03 < d < 0,6), и металлические, почти целиком состоящие из никелистого железа М-астероиды (0,07 < d < 0,23). Ряд малых планет "выпадает" из общей классификации и объединяется в особую U-группу: такова Церера, поверхность которой сложена своеобразными минералами, напоминающими земные глины и содержащими до 10 % воды; Церера обладает весьма разреженной атмосферой, газы которой непрерывно выделяются из недр планетоида. Некоторые астероиды обладают пористым строением – так, 52-километровая Матильда имеет плотность около 1,3 г/см3.
Некоторые астероиды имеют в качестве спутников астероиды меньшей массы: у 56-километровой Иды обнаружен 1,5-км спутник Дактиль; вокруг Евгении (214 км) вращается Маленький Принц (13 км) и т.д. Астероид Антиопа – двойной, состоящий из обращающихся вокруг общего центра тяжести 170-км объектов.
По опровергнутой гипотезе Г. Ольберса астероиды являются осколками разрушенной планеты (в результате приливного действия Юпитера или, по С.К. Всехсвятскому, вулканических процессов). С точки зрения современных ученых, астероиды являются обломками планетезималей, сформировавшихся на границе горячей и холодной зон протопланетного облака.
Далее ученики знакомятся с физической природой комет. Они должны понимать механизм образование и причины переменности атмосфер у комет (этот вопрос может решаться в ходе беседы самими учениками).
Кометы значительно отличаются от других планетных тел Солнечной системы характеристиками своего движения (элементами орбит). Наряду с кометами, вращающимися вокруг Солнца по эллиптическим орбитам с различным эксцентриситетом - от е » 0,1 (кометы Швассмана-Вахмана-1, Отерма и др.) до е » 0,95 (кометы Галлея, Ольберса и т. д.), существуют кометы, движущиеся по параболическим (е = 1) и даже гиперболическим орбитам (e > 1), проникающие внутрь Солнечной системы единственный раз за всю историю своего существования. Столь же разнообразны углы наклона кометных орбит к плоскости эклиптики - от i » 1њ (комета Кодзимы и др.) до i £ 180њ (кометы Хейла-Боппа, Галлея и т. д.). Известно свыше 150 комет, "царапающих Солнце", которые в перигелии проникают внутрь орбиты Меркурия (комета Икейя-Секи, комета 1882 года и др.). Многие кометы сближаются с Солнцем на расстояние свыше 2-3 а. е. (кометы Вольфа, Нейумина и т. д.).
В настоящее время известно свыше 2000 комет, у половины которых вычислены характеристики орбит. Около 25% комет являются короткопериодическими, с периодом обращения до 200 лет. Все короткопериодические кометы можно разделить на семейства комет по близости афелия кометной орбиты к орбитам планет. Большая часть "царапающих Солнце" комет объединяются в семейство Крейца (по фамилии ученого, указавшего на их сходство в конце XIX в.). Семейство Юпитера насчитывает свыше 120 комет (1,4 £ а £ 8,5 а.е.; Т » 3,3-15 лет); семейство Сатурна свыше 15 комет (период обращения Т » 10,99-17,93 лет); семейство Урана свыше 5 комет; семейство Нептуна – более 10 комет (в том числе комету Галлея). Кометы с периодом обращения свыше 200 лет называют долгопериодическими. К концу ХХ века ученым было известно свыше 850 долгопериодических комет, в том числе 3/4 с параболическими и 1/4 с гиперболическими орбитами. Предполагается существование "кометных колец", подобных кольцу астероидов, между орбитами планет-гигантов. Элементы орбит комет при сближении с планетами-гигантами сильно изменяются под действием возмущений со стороны планет.
Источником подавляющего числа короткопериодических комет являются "кометные пояса" и пояс Койпера, расположенный на расстоянии 35-50 а.е. от Солнца и содержащий до 200 миллионов кометных ядер. Орбиты кометных ядер в облаке Хиллса относительно устойчивы.
Гипотеза Лагранжа-Всехсвятского предлагает в качестве источника хотя бы части короткопериодических комет вулканические извержения на поверхности силикатно-ледяных спутников планет-гигантов: согласно этим предположениям, "родительским телом" кометы Галлея может быть спутник Нептуна Тритон; кометы Хейла-Боппа – спутники Урана Миранда или Ариэль и т.д.
Источником параболических и гиперболических комет является облако Оорта. Гравитационные поля звезд, перемещающихся вблизи Солнечной системы, изменяют почти круговые орбиты кометных ядер облака Оорта и некоторые из них влетают вглубь Солнечной системы, попадая под возмущающее действие планет-гигантов, другие покидают Солнечную систему навсегда. Ежегодный приток комет внутрь Солнечной системы составляет от 5 до 10 в год. По расчетам некоторых ученых за время существования Солнечной системы облако Оорта вдвое поредело.
Существует гипотеза о межзвездном происхождении части комет, ядра которых конденсируются в плотных газопылевых туманностях ГМО. При прохождении Солнечной системы сквозь спиральные рукава Галактики некоторое количество кометных ядер захватывается из межзвездного пространства гравитационными полями Солнца и планет.
Хотя известны десятки комет, сделавших свыше 10 оборотов вокруг Солнца, гибель периодической кометы в результате полного испарения и разрушения ядра всего лишь вопрос времени: согласно расчетам, при прохождении перигелия они теряют 0,1-0,5 % массы, при этом их блеск уменьшается на 0,04m - 0,01m за один оборот. Короткопериодические кометы "живут" 300-600 лет, долгопериодические – до 1 миллиона лет. Полное испарение летучих компонентов или образование тонкой тугоплавкой коры на поверхности ядра может оттянуть ее смерть, уподобить короткопериодическую комету астероиду с эксцентричной орбитой.
В последние годы открыты десятки "промежуточных" объектов, сочетающих свойства астероидов и комет: движущихся по типично "кометным" орбитам, но лишенных кому и хв оста; или кометообразных, но вращающихся вокруг Солнца по орбитам с малым эксцентриситетом. Вероятно, они представляют собой "угасшие" кометы, ядро которых покрыто спекшимся тугоплавким слоем пыли и минеральных пород. В их число входят периодически сближающиеся с Землей Ра-Шалом (D » 3,4 км), Адонис и Фаэтон (D » 6,9 км) – прародитель метеорного потока Геминид.
Ежегодно открывается десятки новых комет, причем 90 % из них - любителями астрономии. Дж. Бредфилд (Австралия) открыл к 1988 году 13 комет, К. Икейя (Япония) - 11 комет, К.И. Чурюмов (СССР) - 2 кометы и т. д. Каролина Шумейкер открыла к концу 2000 г.30 комет.Комете присваивается имя ее первооткрывателя: комета Бредфилда, комета Икейя-Секи, комета Чурюмова-Герасименко (до 3 имен первооткрывателей). В последние годы большое число комет было открыто в околосолнечной области с помощью космических обсерваторий SONO (100 комет к концу 2000 года) и LINEAR (50 комет).
С давних времен появление кометы на небе вызывало среди людей ужас и панику (кроме Древнего Китая, где кометы рассматривались как чрезвычайные послы Неба к его Сыну-императору). В Европе считали, что кометы предвещают смерть монархов и других правителей, а также всевозможные стихийные бедствия и войны. Суеверия дожили до конца ХХ века.
В 1986 году советские АМС "Вега" прошли на расстоянии 8500 км от ядра кометы Галлея, проведя исследования ядра и атмосферы кометы совместно с АМС "Сакигаке" (Япония) и "Джотто" (ЕЭС).
По современным данным на больших расстояниях от Солнца кометы представляют собой глыбы твердого вещества: смеси водяного и метанового льда, замерзших газов (СО2, СО, С2СН, СN, CS, HCN, С2Н6, СH3CN и др.) с вмороженными в нее обломками горных пород и мелкой пылью. Плотность кометного ядра около 1,0 г/см3. Размеры кометных ядер от 50 м до 50 км. Родительское тело семейства Крейца, вероятно, имело размеры около 120 км.
С приближением к Солнцу до 4-6 а. е. вещество кометного ядра начинает нагреваться и сублимироваться, образуя газопылевую атмосферу кометного ядра - кому или оболочку кометы размерами 104-106 м. Дополнительными источниками энергии вещества кометных ядер могут быть химические реакции, в том числе взрывного характера. Взаимодействие солнечного ветра и давление солнечного света на разряженное вещество - ионизированный газ и пыль оболочки - порождает кометные хвосты протяженностью до 500000000 км, плотностью 10-18 атм (1 частица на 100 м3) и называемых потому "видимым ничто".
Согласно классификации Ф. А. Бредихина, хвосты комет разделяются на 3 типа:
Хвосты I типа образованы ионизированными атомами и молекулами газа, которые со скоростью 10-102 км/с уносятся от ядра потоками солнечного ветра и давлением солнечных лучей.
Рис. 22. Кометы
Хвосты I типа имеют цилиндрическую форму, поперечник 2-3× 104 км и голубоватый цвет.
Хвосты II типа - пылевые, желтые, изогнутые, отклоняющиеся назад по отношению к орбитальному движению.
Хвосты III типа образуются в результате мощного выброса пылевых частиц из ядра.
При различных взаимных положениях Солнца, Земли и кометы основные, газовые хвосты I типа всегда направлены в противоположном от Солнца направлении; хвосты II типа и III типа могут по-разному проецироваться на небо, иногда даже в направлении Солнца (такой аномальный хвост наблюдался у кометы Аренда-Ролана).
Далее излагаются сведения о межпланетной среде, метеорных телах, явлениях, сопровождающих вторжение метеорного тела в атмосферу планеты и метеоритах. Ученики должны уяснить связь между метеорными потоками и кометами и разницу между метеороидами, метеорами, болидами и метеоритами.
Пространство Солнечной системы заполняет межпланетная среда: разреженная материя, концентрирующаяся в плоскости эклиптики и составляющая до 0,000000000001 % массы нашей планетной системы; основными её компонентами являются: 1) солнечный ветер: потоки заряженных частиц (е, р) со скоростью 102 - 104 м/с и плотностью до 103 частиц/см3, "выдувающие" частицы космического газа за пределы Солнечной системы; 2) галактические космические лучи с энергией 106 - 109 эВ; 3) межпланетное магнитное поле - уносимое солнечным ветром магнитное поле Солнца, его напряженность вблизи Земли составляет от 2× 10-5 Э до 8× 10-4 Э и зависит от уровня солнечной активности; 4) межпланетная пыль - метеорные частицы массой 10-17 - 10-14 кг, размерами 10-9 - 10-4 м и концентрацией до 10-25 кг/м3.
Общая масса космической пыли в Солнечной системе 1016-1017 кг; 2/3 пылинок имеют массы 0,00001-0,001 г, округлую форму и силикатный или органический состав. Плотность космической пыли увеличивается вблизи плоскости эклиптики и по направлению к Солнцу; на расстоянии 3 а.е. от Солнца космическая пыль почти отсутствует. Часть межпланетных пылинок генерируется системой Юпитера; обнаружен поток межзвездных пылинок, пересекающих Солнечную систему со скоростью свыше 42 км/с.
Отраженный и рассеянный пылью солнечный свет создает очень слабое свечение, наблюдаемое на земном небе после захода Солнца в виде светового конуса вдоль эклиптики и называется зодиакальным светом. Рассеяние солнечного света более далекими от Солнца пылинками порождает еще более слабое пятно света - противосияние в противоположной от Солнца точке неба.
В число космических пылинок входят частицы, содержавшиеся в составе протопланетной туманности. Несколько лет назад было открыто пылевое кольцо - тор вдоль всей земной орбиты - возможно, остатки "кольца сжатия". Вероятно, подобные пылевые кольца существуют вдоль орбит других планет.
Основным поставщиком космической пыли в Солнечной системе являются кометы. При прохождении вблизи Солнца комета теряет часть своего вещества: мелкие силикатные обломки, пыль и газ растягиваются вдоль всей орбиты кометы и постепенно под действием возмущений рассеиваются в межпланетном пространстве. Скорость движения этих метеорных тел (пылинок и камешков) по отношению к Земле составляет от 11,2 до 76 км/с в зависимости от того, догоняют ли они Землю или летят ей навстречу.
При вторжении метеорного тела в атмосферу Земли наблюдается световое явление - метеор. При торможении метеорного тела в атмосфере на высоте от 120 до 80 км над землей оно нагревается, плавится, дробится на мелкие части, распыляется и испаряется. При столкновениях испарившихся молекул с молекулами и атомам воздуха происходит их распад на атомы, возбуждение и ионизация. Наблюдатель видит свечение раскаленных паров метеорного тела и газов атмосферы вокруг него.
Ежесуточно во всем небе Земли наблюдается до 106 метеоров.
Яркость метеора зависит от его массы и скорости.
Видимые невооруженным глазом метеоры порождаются частицами массой от 0,5 г до 0,1 кг. Более массивные и крупные порождают особо яркие метеоры (V ³ -3m), называемые болидами. Блеск болидов доходит до -19m.
98 % метеоров порождаются частицами кометного вещества, 1-2 % мельчайшими обломками астероидов, менее 0,001 % метеоров могут иметь причинами пылинки галактического происхождения. Полный суточный приток метеороидного вещества в интервале масс 10-15 -1 кг составляет от 3× 104 до 105 кг. За год в атмосфере и на поверхности Земли осаждается 3-6× 107 кг метеорного вещества. За счет этого притока за последние 4 миллиарда лет масса земной коры увеличилась на 5 %.
Ежегодно в определенные даты при пересечении Землей орбиты какой-либо кометы, вдоль которой растянулось облако метеорных частиц, в атмосфере Земли наблюдаются потоки метеоров, порождаемые большим количеством частиц со сходными физико-химическими характеристиками (состав, скорость и др.), движущимися по почти параллельным траекториям. Вследствие явления перспективы земному наблюдателю кажется, что все эти метеоры вылетают из одной точки (чаще - небольшого участка) небесной сферы - радианта (площади радиации) метеорного потока. Известно около 1000 метеорных потоков. Так, комета Галлея порождает 2 ежегодно наблюдаемых метеорных потока - Ориониды (с 15 по 25 октября) и Майские Аквариды (с 28 апреля по 9 мая) с часовым числом n до 35 метеоров в час. Названия метеорным потокам даются по созвездиям, в которых находится их радиант, иногда с указанием ближайшей к нему звезды созвездия.
В звездный дождь наблюдается до 10000 метеоров в час. В дождь Леонид 16 - 17 ноября 1966 года ежечасно наблюдалось от 60 000 до 140 000 метеоров!
Мельчайшие, не испарившиеся до конца, пылинки плавают в верхних слоях атмосферы и служат центрами конденсации водяных паров. Так из крохотных льдинок на высоте до 80 км образуются серебристые и жемчужные облака.
В отдельных случаях крупные метеорные тела не успевают полностью разрушиться и испариться при своем движении в атмосфере и после полного торможения выпадает на поверхность Земли метеоритами (до 2000 в год). В настоящее время в различных районах Земли найдено свыше 20 000 метеоритов. Почти все они являются мелкими обломками астероидов. Известны метеориты - осколки ядер комет, десятки метеоритов являются обломками лунных пород, выброшенных в космос взрывами на поверхности Луны, найдено 14 метеоритов марсианского происхождения. Вплоть до настоящего времени метеориты являются едва ли не единственными образцами вещества внеземного происхождения, которые ученые могут подробно изучать в земных лабораториях. Масса обнаруженных метеоритов - от долей грамма до десятков и сотен тонн.
В зависимости от химического состава метеориты делятся на 3 группы:
Каменные метеориты (92 % от общего числа). Подразделяются на: хондриты (85,7%), состоящие из железомагнезиальных силикатов (оливина (Fe,Mg)Sio4 - 25-60 %, гиперстена и бронзита (Fe,Mg)2Si2O6 (20-35 %), никелистого железа (8-21 %) и сульфата железа FeS (5 %). Углистые хондриты содержат от 2 до 8 % углистого вещества, 20 % воды и, предположительно, наиболее близки по составу к веществу протопланетной туманности. Некоторые ученые считают эти редкие метеориты обломками кометных ядер. Ахондриты (7,2 %) отличаются малым содержанием железа, никеля, кобальта, хрома и, предположительно, образуются при переплавке хондритового вещества в недрах массивных родительских тел. Родительским телом базальтовых ахондритов (6 % метеоритов) является астероид Веста.
2. Железокаменные метеориты (2 % от общего числа) состоят наполовину из металла, наполовину из силикатов и представляют собой металлическую (оливиновую) губку, в порах которой расположены силикаты или, наоборот, силикатную губку с включениями никелистого железа.
3. Железные метеориты (10 %) на 98 % состоят из никелистого железа. Крупнейшим из найденных метеоритов является Гоба размерами 2,95´ 2,84 м, массой 60 тонн (ЮАР).
Предполагается, что вещество железокаменных и железных метеоритов сформировалось соответственно в мантии (на границе мантии и ядра) и в ядре планетных тел с дифференцированным внутренним строением, разрушенных около 4,3 млрд. лет назад в результате катастрофического столкновения со сравнимым по массе объектом или приливного действия планеты-гиганта.
Повышенное по сравнению с земными породами содержание никеля (от 3 до 21 %) является одним из главных отличительных признаков метеорита. Другими являются наличие коры плавления, вмятины (регмаглипты), образовавшиеся при полете в атмосфере и т.д.
Метеорные тела массой в сотни и тысячи тонн, астероиды и кометные ядра пробивают атмосферу Земли и сталкиваются с ее поверхностью со скоростью от 1 до 75 км/с. Происходит мощный взрыв с образованием воронки - кратера ударного происхождения.
Особый интерес для учащихся (и их родителей) представляют сведения о столкновениях Земли с крупными метеороидами – астероидами и ядрами комет и вызываемые этими явлениями биосферные катастрофы (вымирание динозавров и т.д.). Следует ознакомить учеников с тем, как проблемы "космической безопасности Земли" решаются с помощью современных средств науки и техники и перспективами использования метеороидов для нужд земной цивилизации.
В настоящее время известно около 200 астероидов, периодически сближающихся с Землей на расстояние менее 1 млн. км; общее число таких астероидов ученые оценивают в 20-30 тысяч. 9 декабря 1994 года астероид 1994ХМ1 был обнаружен за 9 часов до максимального сближения - 100 000 км от Земли.
Вероятность столкновения Земли с астероидом оценивается по формуле:
N(Д) = 2× Д1,58, где N(Д) - период времени (лет), Д - размеры астероида (м).
Объекты размерами до 50 м сталкиваются с Землей в среднем раз в 600 лет (масса Сихоте-Алиньского метеорита, упавшего в 1947 году на Дальнем Востоке, составляла 100 тонн) и способны произвести разрушения на площади до 100 км2. Астероиды размерами до 500 м падают на Землю раз в 60000 лет и вызывают локальные повреждения ее поверхности взрывом мощностью до 10 Мт (Аризонский метеорит, кратер имеет диаметр 200 м и возраст 5000 лет). Падение астероида от 0,5 до 2 км ведет к взрыву мощностью до 106 Мт тротилового эквивалента и катастрофе регионального характера: разрушения и пожары охватывают площадь до 107 км2. Столкновение Земли с астероидом размерами более 2 км происходит реже, чем раз в 1 миллион лет, однако взрыв мощностью свыше 2× 104 Мт ведет к катастрофам глобального масштаба. Помимо разрушений, вызванных ударной волной, пожарами и цунами, опустошающими континенты на сотни километров от берега, в атмосфере значительно возрастает концентрация окислов азота, взрыв выбрасывает в стратосферу миллионы тонн мельчайшей пыли, порождающих эффект "ядерной зимы" или, наоборот, разогревающих атмосферу. Столкновение Земли с объектами размерами свыше 10 км происходит в среднем каждые 63 миллиона лет.
При столкновении Земли с 10-километровым астероидом, движущимся со скоростью 16-17 км/с, мощность взрыва составляет десятки тысяч мегатонн тротилового эквивалента. Образуется кратер диаметром до 100 км, глубиной 1-2 км. Миллиарды тонн пыли, выброшенной взрывом в верхние слои атмосферы Земли, преграждают путь солнечным лучам и вызывают эффект "ядерной зимы" с глобальным падением среднегодовых температур на 10-40 К на протяжении десятков и сотен лет и вызывают массовое вымирание живых организмов. На поверхности Земли обнаружено свыше 250 кратеров-астроблем ("звездных ран") размерами от 1 до 150 км. Кратер Мороквен размерами 120´ 340 км образовался на границе между юрским и меловым периодом 142,8 - 147,7 миллионов лет назад. Возникший на границе мезозойской и кайонозойской эры 65 млн. лет назад кратер Хиксулуб (полуостров Юкатан) имеет размеры 180´ 280 км. Кратеры Попигай и Чесапик-Бей возникли на границе эоцена и олигоцена 35,2 - 35,7 миллиона лет назад.
В 1992 году в Санкт-Петербурге при институте теоретической астрономии был создан международный институт проблем астероидной опасности. Почти одновременно в США был издан труд: "Космическая бомбардировка: способы и соображения об эффективной системе перехвата объектов, бомбардирующих Землю".
Предлагается создание глобальной системы контроля космического пространства, начало развертывания которой намечено на первое десятилетие ХХI века. Для защиты Земли от небольших объектов эффективно применение термоядерного оружия: для полного распыления объекта размерами в 50 м достаточен заряд мощностью 0,8 Мт. Для полной безопасности взрыв должен производиться за 40 и более суток до столкновения. Более крупные, свыше 500 м, астероиды следует отклонять от "роковой" траектории полета серией последовательных взрывов на их поверхности. Взрыв мощностью 1 Кт на поверхности объекта диаметром 1 км изменяет его скорость на 0,15 м/c. Для управления движения астероида диаметром до 45 км требуются заряды мощностью до 100 Мт. Другими вариантами противодействия могут стать воздействие на астероид мощным лазерным или СВЧ-излучением, столкновения с ним астероидов меньшей массы, создание на его пути облака мелких частиц.
Разработана шкала астероидной опасности (Р. Бинзел, США), утвержденная в 1999 году Международным астрономическим союзом. Все потенциально опасные объекты с учетом их массы, размеров, геоцентрической скорости и вероятности столкновения с Землей делятся на 11 категорий. Объекты нулевой категории не представляют опасности (не могут столкнуться с Землей или (при размерах до 10 м) практически полностью разрушаются в атмосфере); объекты 1-4 категории требуют внимания; объекты 5-7 категорий являются угрожающими; объекты 8-10 категории сталкиваются с Землей, вызывая катастрофу различных масштабов; объекты 11 категории становятся причиной глобальных катастроф.
Наиболее рационально не уничтожать, а изменять орбиты астероидов так, чтобы они становились спутниками Земли для последующей добычи полезных ископаемых. Для транспортировки астероида может быть использован бескамерный солнечно-термический реактивный двигатель (СТРД). Реактивная струя (газопылевой выброс) возникает при нагревании небольшого участка поверхности астероида до высоких температур зеркальным солнечным отражателем.
Каменный астероид диаметром 1 км имеет массу около 2 млрд. тонн и на 88% состоит из кремния, магния, кислорода, на 10% из железа и на 2% из никеля и кобальта.
Железный астероид диаметром 1 км имеет массу 8,5 млрд. тонн и на 90% состоит из чистого железа, на 9,3% из никеля, на 0,69% из кобальта, на 0,01% из золота, платины и других элементов.
Для 4-5 летней транспортировки астероида диаметром 1 км с гелиоцентрической на геоцентрическую орбиту потребуется зеркало из тончайшей металлизированной полимерной пленки диаметром до 1 км массой до 100 кг.
Астероиды могут стать неисчерпаемыми рудниками человечества, местом постройки космических заводов, лабораторий и электростанций. Энергозатраты пилотируемого полета к астероиду на околоземной орбите существенно ниже, чем для полета на Луну.
Вещество астероида может быть использовано для создания экрана для глобального управления климатом Земли и предотвращения ее перегрева. Круглый полупрозрачный ячеистый экран, позволяющий изменять затеняющий эффект от нуля до расчетного значения, будет иметь массу от 200 до 800 млн. тонн и устанавливаться на расстоянии 2,36 млрд. км от планеты, в точке, где центробежная, гравитационная сила и сила светового давления уравновешивают друг друга. Экран для Венеры будет тяжелее - 32,5 млрд. тонн, но позволит снизить температуру ее поверхности до 56,6 0С, при которой углекислый газ атмосферы сконденсируется и выпадет в осадок, давление лишенной парникового эффекта, почти целиком состоящей из азота атмосферы понизится у поверхности до 2 атм. Венера станет доступной для колонизации землянами. Другими (более экономичными и реальными) способами изменения венерианского климата является распыление в верхних слоях ее атмосферы большого количества мелкой пыли с целью вызвать эффект "ядерной зимы" с глобальным похолоданием и (или) "засев" атмосферы культурами генетически преобразованных фотосинтезирующих микроорганизмов (дальними родственниками сине-зеленых водорослей). Отражательные экраны-рефлекторы могут увеличить освещенность поверхности Марса. Значительное увеличение среднегодовых температур повысит, за счет испарения полярных шапок, плотность марсианской атмосферы и "включит" в ней парниковый эффект. Растаявшая криосфера возродит гидросферу Марса и увеличит содержание водяных паров в его атмосфере. Деятельность специально созданных высокопродуктивных фотосинтезирующих микроорганизмов, сине-зеленых водорослей и других растений приведет к изменению химического состава атмосферы - обогащения ее кислородом до приемлемого для дыхания состава. Люди смогут заселить Марс.
Изученный материал закрепляется в ходе общей беседы по вопросам, не до конца понятым или особо интересным школьникам, при заполнении таблицы 2, достраивании схемы рис. 5 "Планетные тела" примерами изученных объектов и выполнением заданий упражнения 2, предусматривающих повторение материала, изученного в течение первого учебного полугодия.
Упражнение 2:
1. Задача, предложенная Г.И. Малаховой, И.А. Стамейкиной [159]:
Найти радиант, указать название и определить эпоху активности метеорного потока, если из наблюдений установлены координаты начала и конца 3 метеоров:
|
NN |
Координаты начала вспышки метеора | Координаты конца вспышки метеора | ||
| a , ч. м. | d , град | a , ч. м. | d , град | |
| 1 | 10 ч. 30 м | +50о | 9 ч. | + 60њ |
| 2 | 15 ч. | +30о | 14ч. 40 мин. | +55о |
| 3 | 20ч. 30 мин. | +20о | 21 ч. | +35о |
2. В начале 1997 года на небе северного полушария Земли наблюдалась яркая комета Хейла-Боппа. Определите по звездной карте и экваториальным координатам на январь-май 1997 года путь кометы среди звезд:
| Месяц | a | d | Месяц | a | d |
| январь | 19h30m | +12њ | апрель | 2h40m | +44њ |
| март | 21h30m | +35њ | май | 4h50m | +25њ |
3. Какое направление относительно сторон горизонта имеет хвост кометы, наблюдаемой за час до восхода Солнца?
4. Чем обусловлены минимальные и максимальные значения скорости столкновения метеорных частиц с Землей?
Вопросы, предложенные И.Д. Ильевским [73]:
5) Как отличить при наблюдениях бесхвостую комету от туманности?
6) Может ли периодическая комета вечно сохранять свой вид неизменным?
| << Предыдущая |
|
Публикации с ключевыми словами:
методика преподавания - преподавание астрономии - наблюдения - лабораторные работы - практические работы - учебная программа - учебные пособия - лекции - педагогический эксперимент - дидактика - контрольные работы - задача
Публикации со словами: методика преподавания - преподавание астрономии - наблюдения - лабораторные работы - практические работы - учебная программа - учебные пособия - лекции - педагогический эксперимент - дидактика - контрольные работы - задача | |
См. также:
Все публикации на ту же тему >> | |
