Випаровування Комети: Як Заморожена Ядро Розвиває Кому та Двом Хвостам

Брудний сніжок прокидається

Теорія Фреда Віппала 1950 року, яка описує «брудний сніжок», характеризує ядро комет як розріджену суміш водяного льоду, замерлого вуглекислого газу та монооксиду вуглецю, а також силікатної пилу, утримувану як слабкий, пористий твердий тіл. Під час більшості сильно витягнутої орбіти комет, розташованої далеко за межами орбіти Юпітера, ядро надмірно холодне, тому нічого не відбувається – це інертний, темний куля діаметром кілометр. Цікаві фізичні процеси починаються, коли кома падає до Сонця та перетинає лінію туману для кожного з її льодів по черзі.

Сублімація, а не плавлення

Кометичні льоди не плавляться в рідку фазу – у вакуумі простору, де вони знаходяться, вони безпосередньо перетворюються з твердого стану на газовий, коли сонячне тепло підвищує поверхню вище температури сублімації для кожного виду. Три основні леткі сполуки активізуються на дуже різних відстанях: високолеткі CO та CO2 льоди можуть сильно сублімуватися за межі 3–5 а.о., тоді як вода, яка зазвичай є основним рушієм активності комети, не сублімується значно доти поки не досягне приблизно 2,5–3 а.о., близько до лінії туману поблизу головного астероїдного поясу.

sublimation rate (idealized, Sun-facing point on nucleus):

  solar flux in  =  F_sun / r²                (r = heliocentric distance, AU)
  balanced by    =  re-radiation (σT⁴) + latent heat of sublimation (L · Z(T))

  Z(T)  ~  exp(−E_a / kT) / √T      (vapor pressure grows steeply with T)

net effect: outgassing rate rises very sharply, not linearly, as r shrinks —
most of a comet's total activity happens in the weeks around perihelion

Утворення хвостоутвореної оболонки

Витікання газу тягне за собою з себе пилові частинки, що відриваються від поверхні ядра, і разом вони утворюють хвостоутворену оболонку – розрідлений, приблизно сферичний хмарний масив газів та пилу, який може сягати десятків тисяч або мільйонів кілометрів у діаметрі – часто фізично більший за Сонце, незважаючи на те, що ядро лише кілька кілометрів у ширину. Оптична видимість хвостоутвореної оболонки дозволяє спостерігати за кометами з великої відстані, де б не було видно ядро само по собі; розсіювання сонячного світла пилом та його флуоресценція газом утворюють те, що бачить неозброєним оком спостерігач.

Дві хвості – два різні фізичні явища

Після того як матеріал покидає комоту, він формує дві чітко розрізнені хвощі за допомогою двох незалежних сил. Пилхова хвоста ледь стимулюється сонячним випромінювальним тиском – передачею імпульсу фотонів – який недостатньо сильний, щоб пилові частинки відставали від орбітального шляху ядра, утворюючи широку, розмиту, дугоподібну хвощу, яка простежує нещодавню орбіту комети. Іонна хвоста складається з газових молекул, які фотоіонізуються сонячним ультрафіолетовим випромінюванням, а потім безпосередньо відштовхуються радіально від Сонця магнітним полем сонячного вітру, утворюючи вужчу, більш пряму, часто структуровану та хвилясту хвощу – на відміну від пилової хвости – яка майже точно спрямована від Сонця, незалежно від напрямку руху комети, що пояснює, чому обидві хвощі видимість виступають від Сонця, навіть коли комета віддаляється після перигелію, здавалося б, рухаючись назад відносно її власного шляху.

Негравітаційні сили та струмені

Випаровування рідко є однорідним по всій ядрі — воно зосереджується в активних областях і відстає від точок, що знаходяться безпосередньо навпроти Сонця, через термічну ін'ерцію та складів поверхні, створюючи струмені, які штовхають ядро з невеликою, але вимірною силою відштовхування. Ці негравітаційні сили незначно спотворюють орбіту комет від чистої двотільної кеплюхової траєкторії та потребували явного моделювання (починаючи з робіт Бріана Марсдена у 1960-70-х роках), щоб успішно прогнозувати періоди повернення комет і, особливо, пояснити нерегулярні події розколу та фрагментації, такі як руйнування ядра кометы Шаумейкера-Леві 9 або 73P/Швассман-Вахманн 3.

Чому вимирають зорі

Повторні проходження повз перигелій руйнують запаси летких речовин на ближній поверхні комети, і багато короткоперіодичних комет розвивають ізолюючий кришталевий шар, утворений з обробленого пилу та високоплавкого матеріалу, який обмежує подальшу сублімацію — тому деякі комети помітно згасають з покоління в покоління, і частина астероїдів поблизу Землі тепер розуміється як вимерлі або сплячі ядра комети, які просто вичерпали доступний лід на своїй поверхні.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Comet Outgassing і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.