Метео́ры (от греч. μετέωρος – небесный), свечение в атмосфере Земли, вызванное вторжением в неё твёрдых метеорных тел (метеороидов). Взаимодействуя с атмосферой, метеорное тело теряет свою начальную массу, образуя т. н. метеорный след – полосу ионизованного газа и пыли вдоль траектории метеорного тела. Метеоры выглядят как звездообразные объекты (внезапно возникающие, быстро движущиеся и угасающие), поэтому долгое время их называли падающими звёздами. Светимость ярких метеоров может превышать светимость наиболее ярких планет; такие метеоры называют болидами. При вторжении в земную атмосферу компактной группы метеорных тел, движущихся по общей орбите, наблюдается метеорный поток.

Наука о метеорах включает в себя метеорную астрономию, физическую теорию метеоров, метеорную геофизику, а также разделы, изучающие методы наблюдения метеоров, метеорную радиосвязь и метеорную опасность.

Историческая справка

Метеоры известны человечеству с глубокой древности, что отражено в легендах и мифах многих народов. Первые документальные сведения о метеорах найдены в египетском папирусе, написанном за 2 тыс. лет до н. э. Записи о наблюдениях метеоров неоднократно встречаются в старинных китайских рукописях начиная с 1768 г. до н. э. В древнерусских летописях наиболее ранние записи о метеорах относятся к 1091, 1110, 1144 и 1215 гг.

В 1798 г. впервые были определены высоты 22 метеоров по одновременным наблюдениям из двух пунктов, удалённых друг от друга на 14 км. Во время метеорного дождя 1832–1833 гг. многими наблюдателями было замечено, что видимые пути метеоров исходят из одной точки небесной сферы, названной радиантом метеорного потока. На основании этого сделано заключение, что траектории всех метеорных тел потока, вызвавшего метеорный дождь, параллельны, т. е. эти тела в космическом пространстве движутся по близким орбитам. В 19 в. была открыта связь метеорных потоков с кометами, вычислены орбиты ряда метеорных потоков, составлены каталоги большого числа радиантов метеорных потоков.

В 1885 г. Л. Вейнек получил первую фотографию метеоров. В 1893 г. американский астроном Х. Элкин применил вращающийся затвор (обтюратор) для определения угловой скорости метеоров при фотографических наблюдениях. В 1904 г. С. Н. Блажко получил первые фотографии спектров метеоров. Фотографические наблюдения метеоров приняли массовый характер в 1930–1940-х гг. Базисные наблюдения метеоров (проводимые 2–3 фотокамерами, оборудованными обтюраторами и направленными в одну область небесной сферы) позволили определить траектории и скорости метеорных тел в пространстве и, следовательно, их орбиты.

В 1929–1931 гг. обнаружено влияние метеорной ионизации на распространение радиоволн, в 1942–1944 гг. проведены первые радиолокационные наблюдения метеоров.

Метеорная астрономия

Задачей метеорной астрономии является изучение происхождения и эволюции метеорных тел, а также их распределения в межпланетном пространстве.

Метеорные тела могут возникать в ходе следующих процессов. При приближении к Солнцу кометы в её ядре происходит сублимация льда и высвобождение твёрдых частиц. Эти частицы продолжают движение по той же орбите, что и ядро кометы, образуя метеорный рой. Кроме того, метеороиды могут образовываться при столкновении астероидов друг с другом, а также при выбивании частиц из поверхности твёрдых планет со слабой атмосферой (Меркурий, Марс) или спутников планет. Масса выбитых осколков, как правило, в 10³ раз больше, чем масса метеороида.

Среднее время жизни метеороида – около 10⁵ лет. Частицы массой менее 10^–16 кг «выметаются» из Солнечной системы под давлением солнечного излучения – для таких частиц сила давления света превышает силу притяжения Солнца. Тела с большей массой тормозятся в результате эффекта Пойнтинга – Робертсона, метеороид по эллиптической спирали приближается к Солнцу, где полностью сублимируется.

Распределение метеорных тел в межпланетном пространстве слабо изучено. Это объясняется тем, что наземные средства наблюдения регистрируют только те метеороиды, которые пересекают орбиту Земли (т. е. малую долю всего комплекса метеорных тел). Космические аппараты могут регистрировать метеороиды вне орбиты Земли, но лишь в плоскости эклиптики, где, как правило, лежат орбиты космических аппаратов.

Методы наблюдения метеоров

При наблюдении метеоров применяются различные методы, как визуальные, так и инструментальные (фотографические, оптические, радиолокационные и др.). С развитием инструментальных методов исследования метеоров визуальные наблюдения отошли на второй план. Однако на рубеже 20–21 вв. благодаря особым способам обработки визуальных наблюдений астрономам удалось довести их точность до уровня точности инструментальных методов. Это, в частности, позволило, используя старые данные (в том числе систематические наблюдения Ф. А. Бредихина), проследить эволюцию метеорных роёв Персеиды и Леониды на интервале 120 лет.

В оптических методах наблюдения применяют телескопы для усиления чувствительности аппаратуры и увеличения её разрешающей способности. В современных оптических методах в качестве светоприёмника используют ПЗС-матрицы, что позволяет регистрировать более слабые метеоры. Если при фотографических наблюдениях минимальная регистрируемая звёздная величина метеора составляла, как правило, +3, то при современных оптических методах она достигает от +4 до +5.

Отражение радиоволн от ионизованных метеорных следов позволяет проводить радионаблюдения метеоров. В отличие от визуальных и оптических наблюдений, радионаблюдения могут проводиться круглосуточно, что совершенно необходимо для изучения метеороидов, орбиты которых пересекают орбиту Земли. Радионаблюдения метеоров подразделяются на радиолокационные и ракурсные (рассеяние вперёд). В первом случае антенны передатчика и приёмника расположены в одном и том же пункте (приборы могут иметь даже общую антенну). Импульсные радиосигналы посылаются в определённый участок небесной сферы, отражаются от метеорных следов и через приёмную антенну поступают в радиоприёмник. Затем сигнал поступает на аппаратуру регистрации, где фиксируются расстояние до метеорного следа, зависимость амплитуды сигнала от времени, длительность сигнала, скорость метеорного тела, углы прихода сигнала и, при базисных наблюдениях, вектор скорости метеороида. При рассеянии вперёд передатчик и приёмник удалены друг от друга на расстояние более 80–100 км, т. е. находятся вне пределов прямой видимости. В этом случае к точке приёма не поступает прямое излучение передатчика (т. к. используется метровый диапазон радиоволн), но приёмником могут быть зафиксированы сигналы, отражённые от метеорных следов.

Для изучения распределения метеороидов в межпланетном пространстве плотность их потока исследуется с помощью аппаратуры, установленной на космических зондах. Для этих целей используются два типа устройств – пробойные датчики и оптические системы с ПЗС-матрицами. Космические аппараты позволяют также определить химический состав мельчайших метеорных тел. Это удалось сделать, например, в 1986 г., когда космические аппараты «Вега-1», «Вега-2» (СССР) и «Джотто» (Европейское космическое агентство) прошли через пылевой хвост кометы Галлея. В 2006 г. космический зонд «Стардаст» (США) доставил на Землю образцы пылевых частиц кометы Вильда 2.

Физическая теория метеоров

Физическая теория метеоров описывает физические процессы, сопровождающие вхождение метеорного тела в атмосферу Земли: свечение и ионизацию атмосферы, отражение радиоволн от метеорного следа.

Метеорные тела, движущиеся по эллиптическим орбитам вокруг Солнца, входят в атмосферу Земли со скоростями 11–72 км/с. Характер их взаимодействия с атмосферой зависит от массы метеорного тела и его плотности. Если размеры метеорного тела намного меньше длины свободного пробега молекул верхней атмосферы, взаимодействие осуществляется в результате ударов отдельных молекул о поверхность метеорного тела. Налетающие молекулы передают метеорному телу свой импульс и кинетическую энергию, что приводит к торможению, нагреванию и распылению метеорного тела. Интенсивное испарение (сублимация) метеорного тела начинается, когда температура его поверхности достигает примерно 2000 °C. Дополнительная потеря вещества метеорного тела (т. н. абляция) может происходить в результате различных видов дробления – отделения от метеорного тела более мелких твёрдых частиц или капелек. Метеорные тела с массами менее 10^–12 кг тормозятся на высоте 110–130 км, не успев нагреться до температуры начала интенсивного испарения; их кинетическая энергия расходуется главным образом на тепловое излучение с поверхности метеорного тела. Потеряв часть своей начальной массы вследствие распыления, такие частицы оседают на поверхность Земли в виде микрометеоритов. Метеорные тела с массами больше 10^–12 кг проникают в более плотные слои атмосферы, где роль потерь энергии на тепловое излучение с их поверхности сравнительно невелика. Метеорные тела с массами 10^–12–10^–2 кг, порождающие метеоры от +20 до –4 звёздной величины, практически полностью теряют свою начальную массу до того, как они успевают затормозиться в атмосфере. При движении в атмосфере более крупных метеорных тел (вызывающих яркие болиды) образуется ударная волна, которая приводит к уменьшению теплопередачи и, следовательно, к уменьшению потерь массы. Остатки таких метеорных тел могут выпадать на поверхность Земли в виде метеоритов.

Высоты метеоров зависят от начальной скорости метеорных тел и их плотности. По средней плотности $ρ$ метеорные тела можно разделить на две группы: плотные $[\rho=(1\!-\!5)\!\times\!10^{3}\ кг/м^{3}]$ и рыхлые $[\rho= (0,\!2\!-\!1)\!\times\!10^{3}\ кг/м^{3}].$ Высоты максимумов абляции (и, следовательно, максимума блеска метеора и максимума ионизации метеорного следа) метеороидов 1-й группы тем больше, чем больше их скорость, меньше начальная масса и плотность. Метеороиды 2-й группы с массами менее 10^–4 кг при нагревании распадаются на более мелкие частицы приблизительно одинаковой массы. Эти частицы в дальнейшем процессе абляции испаряются в атмосфере Земли на одинаковой высоте вне зависимости от начальной массы метеороида. Более крупные метеороиды не успевают полностью разрушиться, и высоты максимума свечения и ионизации у них уменьшаются с увеличением начальной массы.

Атомы, потерянные метеорным телом в атмосфере, в начальный момент имеют ту же скорость, что и метеорное тело, т. е. много больше средней скорости молекул окружающего очень холодного воздуха. После ряда столкновений этих атомов с молекулами воздуха скорости частиц выравниваются (примерно через 10^–3 с). В процессе столкновений происходит возбуждение нейтральных атомов (возвращение которых в основное состояние сопровождается свечением), а также ионизация атомов метеорного тела. В результате возникает светящийся ионизованный метеорный след, свободные электроны которого способны когерентно отражать радиоволны. При высокой концентрации электронов метеорный след отражает радиоволны как металлический цилиндр. В результате диффузии ионизованный метеорный след разрушается. Все метеорные следы располагаются в диапазоне высот 80–140 км.

Метеорная радиосвязь

Радиоволны метрового диапазона могут быть приняты антенной, находящейся только в пределах прямой видимости передающей антенны. В 1950-х гг. появилась идея использовать отражение радиоволн от ионизованных метеорных следов для передачи информации в УКВ-диапазоне на расстояние до 2200 км. Идея заключалась в следующем: в двух конечных пунктах радиотрассы приёмные и передающие антенны направляются в один участок неба над серединой трассы, и оба передатчика работают постоянно на излучение радиоволн (без передачи информации) в эту область. При появлении метеора, удовлетворяющего условиям зеркальности отражения радиоволн, приёмники начинают принимать сигналы удалённого передатчика. В этот момент включается система передачи полезной информации. Время передачи ограничивается временем существования ионизованного метеорного следа – от долей секунды до нескольких секунд. Таким образом, для передачи информации можно использовать не более нескольких процентов общего времени, а средняя скорость передачи (в пересчёте на единицу времени) составляет всего 10–15 байт/с. С появлением новых скоростных средств радиосвязи метеорная радиосвязь потеряла свою актуальность и используется лишь для привязки шкал двух разнесённых в пространстве стандартов времени (с точностью до 1 нс), а также для спецсвязи.

Метеорная геофизика

Диапазон высот 80–110 км, в котором наблюдаются метеоры, труднодоступен: для искусственных спутников Земли здесь слишком высока плотность воздуха (что приводит к сильному торможению и падению спутника), а ракетные зонды могут подниматься на эти высоты лишь на очень короткое время. Поэтому метеоры предоставляют уникальную возможность исследовать свойства атмосферы на этих высотах. Так, радионаблюдения за движениями метеорных следов позволили выявить здесь суточные и сезонные вариации ветров, а также определить характеристики турбулентных движений атмосферы.

Метеорная опасность

Метеорные частицы представляют некоторую опасность для космических аппаратов: они могут повредить внешнюю аппаратуру, пробить борт орбитальной станции, обитаемого космического аппарата или скафандр космонавта, вышедшего в открытый космос. Из-за высокой скорости метеорного тела такие повреждения могут возникнуть даже при столкновении с метеороидом небольшой массы (10^–5–10^–7 кг). Поэтому все государства, принимающие участие в исследованиях космического пространства, при проектировании космических аппаратов производят расчёт их надёжности в условиях бомбардировки метеорными частицами.