Здравствуйте. На этой лекции мы поговорим с вами о пыли. Но не о той, которая скапливается в ваших комнатах, а о космической пыли. Что же это такое?
Космическая пыль - это очень мелкие частицы твердого вещества, находящиеся в любой части Вселенной, в том числе, метеоритная пыль и межзвездное вещество, способное поглощать звездный свет и образующее темные туманности в галактиках. Сферические частицы пыли диаметром около 0,05 мм находят в некоторых морских отложениях; считается, что это остатки тех 5000 тонн космической пыли, которые ежегодно выпадают на земном шаре.
Ученые считают, что космическая пыль образуется не только от столкновения, разрушения мелких твердых тел, но и вследствие сгущения межзвездного газа. Космическую пыль различают по ее происхождению: пыль бывает межгалактическая, межзвездная, межпланетная и околопланетная (обычно в кольцевой системе).
Космические пылинки возникают в основном в медленно истекающих атмосферах звезд - красных карликов, а также при взрывных процессах на звездах и бурном выбросе газа из ядер галактик. Другими источниками образования космической пыли являются планетарные и протозвездные туманности, звездные атмосферы и межзвездные облака.
Целые облака космической пыли, которые находятся в слое звезд, образующих Млечный Путь, мешают нам наблюдать дальние звездные скопления. Такое звездное скопление, как Плеяды, полностью погружено в пылевое облако. Самые яркие звезды, которые находятся в этом скоплении, освещают пыль, как фонарь освещает ночью туман. Космическая пыль может светить только отраженным светом.
Синие лучи света, проходя сквозь космическую пыль, ослабляются сильнее, чем красные, поэтому свет звезд, доходящий к нам, кажется желтоватым и даже красноватым. Целые области мирового пространства остаются закрытыми для наблюдения именно из-за космической пыли.
Пыль межпланетная, во всяком случае, в сравнительной близости от Земли - материя довольно изученная. 3аполняющая все пространство Солнечной системы и сконцентрированная в плоскости ее экватора, она родилась по большей части в результате случайных столкновений астероидов и разрушения комет, приблизившихся к Солнцу. Состав пыли, по сути, не отличается от состава падающих на Землю метеоритов: исследовать его очень интересно, и открытий в этой области предстоит сделать еще немало, но особенной интриги тут, похоже, нет. Зато благодаря именно этой пыли в хорошую погоду на западе сразу после заката или на востоке перед восходом солнца можно любоваться бледным конусом света над горизонтом. Это так называемый зодиакальный - солнечный свет, рассеянный мелкими космическими пылинками.
Куда интереснее пыль межзвездная. Отличительная ее особенность - наличие твердого ядра и оболочки. Ядро состоит, по-видимому, в основном из углерода, кремния и металлов. А
оболочка - преимущественно из намерзших на поверхность ядра газообразных элементов, закристаллизовавшихся в условиях «глубокой заморозки» межзвездного пространства, а это около 10 кельвинов,
водорода и кислорода. Впрочем, бывают в ней примеси молекул и посложнее. Это аммиак, метан и даже многоатомные органические молекулы, которые налипают на пылинку или образуются на ее поверхности
во время скитаний. Часть этих веществ, разумеется, улетает с ее поверхности, например, под действием ультрафиолета, но процесс этот обратимый - одни улетают, другие намерзают или
синтезируются.
Если галактика сформировалась, то откуда в ней берется пыль - в принципе ученым понятно. Наиболее значительные ее источники - новые и сверхновые, которые теряют часть своей массы,
«сбрасывая» оболочку в окружающее пространство. Кроме того, пыль рождается и в расширяющейся атмосфере красных гигантов, откуда она буквально выметается давлением излучения. В их прохладной, по
меркам звезд, атмосфере (около 2,5 - 3 тысяч кельвинов) довольно много сравнительно сложных молекул.
Но вот загадка, не разгаданная до сих пор. Всегда считалось, что пыль - продукт эволюции звезд. Иными словами - звезды должны зародиться, просуществовать какое-то
время, состариться и, скажем, в последней вспышке сверхновой произвести пыль. Только вот что появилось раньше - яйцо или курица? Первая пыль, необходимая для рождения звезды, или первая звезда,
которая почему-то родилась без помощи пыли, состарилась, взорвалась, образовав самую первую пыль.
Что было вначале? Ведь когда 14 млрд. лет назад произошел Большой взрыв, во Вселенной были только водород и гелий, никаких других элементов! Это потом из них стали
зарождаться первые галактики, огромные облака, а в них - первые звезды, которым надо было пройти долгий жизненны й путь. Термоядерные реакции в ядрах звезд должны были «сварить» более сложные
химические элементы, превратить водород и гелий в углерод, азот, кислород и так далее, а уж после этого звезда должна была выбросить все это в космос, взорвавшись или постепенно сбросив оболочку.
Затем этой массе нужно было охладиться, остыть и, наконец, превратиться в пыль. Но уже через 2 млрд. лет после Большого взрыва, в самых ранних галактиках, пыль была! С помощью телескопов ее
обнаружили в галактиках, отстоящих от нашей на 12 млрд. световых лет. В то же время 2 млрд. лет - слишком маленький срок для полного жизненного цикла звезды: за это время большинство звезд не
успевает состариться. Откуда в юной Галактике взялась пыль, если там не должно быть ничего, кроме водорода и гелия, - тайна.
Посмотрев на время, профессор слегка улыбнулся.
Но эту тайну вы попробуете разгадать дома. Запишем задание.
Домашнее задание.
1. Попробуйте порассуждать, что появилось раньше, первая звезда или все же пыль?
Дополнительное задание.
1. Доклад про любой вид пыли (межзвездная, межпланетная, околопланетная, межгалактическая)
2. Сочинение. Представьте себя ученым, которому поручили исследовать космическую пыль.
3. Картинки.
Домашнее задание для студентов:
1. Зачем в космосе нужна пыль?
Дополнительное задание.
1. Доклад про любой вид пыли. Бывшие ученики школы правила помнят.
2. Сочинение. Исчезновение космической пыли.
3. Картинки.
Космическая пыль на Земле чаще всего находится в определенных слоях океанического дна, ледяных щитах полярных областей планеты, отложениях торфа, труднодоступных местах пустыни и метеоритных кратерах. Размер данного вещества - менее 200 нм, что делает его изучение проблематичным.
Обычно понятие космической пыли включает в себя размежевание на межзвездную и межпланетную разновидность. Впрочем, все это является очень условным. Наиболее удобным вариантом для изучения подобного явления считают исследование пыли из космоса на границах Солнечной системы или за ее пределами.
Причина такого проблематичного подхода к исследованию объекта заключается в том, что свойства внеземной пыли кардинально меняются при нахождении рядом с такой звездой, как Солнце.
Теории происхождения космической пыли
Потоки космической пыли постоянно атакуют поверхность Земли. Возникает вопрос, откуда берется это вещество. Его происхождение дает почву для множества дискуссий среди специалистов в этой области.
Выделяют такие теории образования космической пыли:
- Распад небесных тел . Некоторые ученые считают, что космическая пыль - не что иное, как результат разрушения астероидов, комет и метеоритов.
- Остатки облака протопланетного типа . Есть версия, по которой космическую пыль относят к микрочастицам протопланетного облака. Впрочем, такое предположение вызывает некоторые сомнения по причине недолговечности мелкодисперсного вещества.
- Результат взрыва на звездах . Вследствие этого процесса, по мнению некоторых специалистов, происходит мощный выброс энергии и газа, что приводит к образованию космической пыли.
- Остаточные явления после формирования новых планет . Так называемый строительный «мусор» стал основой для возникновения пыли.
Основные разновидности космической пыли
Конкретной классификации видов космической пыли на данный момент не существует. Можно разграничить подвиды по визуальным характеристикам и местообразованию этих микрочастиц.
Рассмотрим семь групп космической пыли в атмосфере, различных по внешним показателям:
- Серые обломки неправильной формы. Это остаточные явления после столкновения метеоритов, комет и астероидов размером не более 100-200 нм.
- Частицы шлакообразного и пепловидного образования. Такие объекты сложны в опознании исключительно по внешним признакам, потому что претерпели изменения, пройдя через атмосферу Земли.
- Зерна округлой формы, что по параметрам схожи с песком черного цвета. Внешне они напоминают порошок магнетита (магнитного железняка).
- Черные окружности небольшого размера, обладающие характерным блеском. Их диаметр не превышает отметки 20 нм, что делает их изучение кропотливым занятием.
- Более крупные шарики того же цвета с шероховатой поверхностью. Их размер достигает 100 нм и позволяет детально изучить их состав.
- Шарики определенной окраски с преобладанием черных и белых тонов с включениями газа. Эти микрочастицы космического происхождения состоят из силикатной основы.
- Шары разнородной структуры из стекла и металла. Такие элементы характеризуются микроскопическими размерами в пределах 20 нм.
- Пыль, находящаяся в межгалактическом пространстве. Данный вид может искажать размеры расстояний при определенных расчетах и способен изменять цвет космических объектов.
- Образования в пределах Галактики. Пространство в этих пределах всегда заполнено пылью от разрушения космических тел.
- Вещество, сконцентрированное между звездами. Оно наиболее интересно благодаря наличию оболочки и ядра твердой консистенции.
- Пыль, расположившаяся рядом с определенной планетой. Находится она обычно в кольцевой системе небесного тела.
- Облака из пыли вокруг звезд. Они кружатся по орбитальной траектории самой звезды, отражая ее свет и создавая туманность.
- Металлическая группа. Представители этого подвида имеют удельный вес более пяти граммов на кубический сантиметр, и основа их состоит преимущественно из железа.
- Группа на силикатной основе. Основа - прозрачное стекло с удельным весом приблизительно три грамма на кубический сантиметр.
- Смешанная группа. Само название этого объединения свидетельствует о наличии в структуре микрочастиц как стекла, так и железа. Основа также включает в себя магнетические элементы.
- Сферулы с полым наполнением. Эта разновидность часто встречается в местах падения метеоритов.
- Сферулы металлического образования. Такой подвид имеет ядро из кобальта и никеля, а также оболочку, которая окислилась.
- Шары однородного сложения. Такие крупинки имеют окисленную оболочку.
- Шарики с силикатной основой. Наличие газовых вкраплений придает им вид обычных шлаков, а иногда и пены.
Следует помнить, что эти классификации весьма условны, но служат определенным ориентиром для обозначения видов пыли из космоса.
Состав и характеристика компонентов космической пыли
Рассмотрим подробнее, из чего состоит космическая пыль. Существует некая проблема при определении состава данных микрочастиц. В отличие от газообразных веществ, твердые тела имеют непрерывающийся спектр с относительно небольшим наличием полос, что размыты. Вследствие этого затрудняется идентификация космических пылинок.
Состав космической пыли можно рассмотреть на примере основных моделей данного вещества. К ним относятся такие подвиды:
- Ледяные частицы, в структуру которых входит ядро с тугоплавкой характеристикой. Оболочка подобной модели состоит из легких элементов. В частицах крупного размера находятся атомы с элементами магнитного свойства.
- Модель MRN, состав которой определяется наличием силикатных и графитовых вкраплений.
- Оксидная космическая пыль, в основу которой входят двухатомные окислы магния, железа, кальция и кремния.
- Шарики с металлической природой образования. В состав таких микрочастиц входит такой элемент, как никель.
- Металлические шарики с наличием железа и отсутствием никеля.
- Окружности на силиконовой основе.
- Железо-никелевые шарики неправильной формы.
Почвы благодатны на присутствие космического материала. Особенно большое количество сферул обнаружено в местах падения метеоритов. Основой для них послужили никель и железо, а также всевозможные минералы типа троилита, кохенита, стеатита и других составляющих.
Ледники также таят в своих глыбах пришельцев из космоса в виде пыли. Силикат, железо и никель служат основой найденных сферул. Все добытые частицы были классифицированы в 10 четко разграниченных групп.
Трудности в определении состава изучаемого объекта и дифференцирование его от примесей земного происхождения оставляют этот вопрос открытым для дальнейших исследований.
Влияние космической пыли на процессы жизнедеятельности
Влияние данной субстанции до конца не изучено специалистами, что дает большие возможности в плане дальнейшей деятельности в этом направлении. На определенной высоте при помощи ракет обнаружили специфический пояс, состоящий из космической пыли. Это дает основание утверждать, что подобное внеземное вещество воздействует на некоторые процессы, происходящие на планете Земля.
Влияние космической пыли на верхние слои атмосферы
Последние исследования свидетельствуют о том, что количество космической пыли способно влиять на изменение верхних слоев атмосферы. Данный процесс очень значим, потому что ведет к определенным колебаниям в климатической характеристике планеты Земля.
Огромное количество пыли, возникшей от столкновения астероидов, заполняет пространство вокруг нашей планеты. Ее количество достигает почти 200 тонн в сутки, что, по мнению ученых, не может не оставить своих последствий.
Наиболее подвержено этой атаке, по мнению тех же специалистов, северное полушарие, климат которого предрасположен к холодным температурам и сырости.
Вопрос воздействия космической пыли на образование облаков и изменение климата еще не изучен в достаточной степени. Новые исследования в этой области порождают все больше вопросов, ответы на которые пока не получены.
Влияние пыли из космоса на преобразование океанического ила
Облучение космической пыли солнечным ветром приводит к тому, что эти частицы попадают на Землю. Статистика свидетельствует о том, что наиболее легкий из трех изотопов гелия в огромном количестве попадает через пылинки из космоса в океанический ил.
Поглощение минералами железомарганцевого происхождения элементов из космоса послужило основой в формировании уникальных рудных образований на океанском дне.
На данный момент количество марганца в областях, которые близки к полярному кругу, ограничено. Все это связано с тем, что космическая пыль не поступает в Мировой океан в тех районах из-за ледяных щитов.
Влияние космической пыли на состав воды Мирового океана
Если рассматривать ледники Антарктиды, то они поражают количеством найденных в них остатков метеоритов и наличием космической пыли, которая в сотню раз превышает обычный фон.
Чрезмерно повышенная концентрация того же гелия-3, ценных металлов в виде кобальта, платины и никеля позволяет с уверенностью утверждать факт вмешательства космической пыли в состав ледникового щита. При этом вещество внеземного происхождения остается в первозданном и не разбавленном водами океана виде, что само по себе является уникальным явлением.
По мнению некоторых ученых, количество космической пыли в таких своеобразных ледяных щитах за последний миллион лет насчитывает порядка нескольких сотен триллионов образований метеоритного происхождения. В период потепления эти покровы тают и несут в Мировой океан элементы космической пыли.
Смотрите видео о космической пыли:
Данное космическое новообразование и его влияние на некоторые факторы жизнедеятельности нашей планеты еще мало изучено. Важно помнить, что вещество способно влиять на изменения климата, структуру океанического дна и концентрацию определенных веществ в водах Мирового океана. Фото космической пыли свидетельствуют о том, как много еще загадок таят в себе эти микрочастицы. Все это делает изучение подобного интересным и актуальным!
КОСМИЧЕСКАЯ ПЫЛЬ, твёрдые частицы с характерными размерами от около 0,001 мкм до около 1 мкм (и, возможно, до 100 мкм и более в межпланетной среде и протопланетных дисках), обнаруженные почти во всех астрономических объектах: от Солнечной системы до очень далёких галактик и квазаров. Характеристики пыли (концентрация частиц, химический состав, размер частиц и т. д.) значительно меняются от одного объекта к другому, даже для объектов одного типа. Космическая пыль рассеивает и поглощает падающее излучение. Рассеянное излучение с той же длиной волны, что и падающее, распространяется во все стороны. Излучение, поглощённое пылинкой, трансформируется в тепловую энергию, и частица излучает обычно в более длинноволновой области спектра по сравнению с падающим излучением. Оба процесса дают вклад в экстинкцию - ослабление излучения небесных тел пылью, находящейся на луче зрения между объектом и наблюдателем.
Пылевые объекты исследуют почти во всём диапазоне электромагнитных волн - от рентгеновского до миллиметрового. Электрическое дипольное излучение быстро вращающихся ультрамелких частиц, по-видимому, даёт некоторый вклад в микроволновое излучение на частотах 10-60 ГГц. Важную роль играют лабораторные эксперименты, в которых измеряют показатели преломления, а также спектры поглощения и матрицы рассеяния частиц - аналогов космических пылинок, моделируют процессы образования и роста тугоплавких пылинок в атмосферах звёзд и протопланетных дисках, изучают образование молекул и эволюцию летучих пылевых компонентов в условиях, похожих на существующие в тёмных межзвёздных облаках.
Космическую пыль, находящуюся в различных физических условиях, непосредственно изучают в составе упавших на поверхность Земли метеоритов, в верхних слоях земной атмосферы (межпланетная пыль и остатки небольших комет), при полётах КА к планетам, астероидам и кометам (околопланетная и кометная пыль) и за пределы гелиосферы (межзвёздная пыль). Наземные и космические дистанционные наблюдения космической пыли охватывают Солнечную систему (межпланетная, околопланетная и кометная пыль, пыль около Солнца), межзвёздную среду нашей Галактики (межзвёздная, околозвёздная и небулярная пыль) и других галактик (внегалактическая пыль), а также очень удалённые объекты (космологическая пыль).
Частицы космической пыли в основном состоят из углеродистых веществ (аморфный углерод, графит) и магниево-железистых силикатов (оливины, пироксены). Они конденсируются и растут в атмосферах звёзд поздних спектральных классов и в протопланетарных туманностях, а затем выбрасываются в межзвёздную среду давлением излучения. В межзвёздных облаках, особенно плотных, тугоплавкие частицы продолжают расти в результате аккреции атомов газа, а также при столкновении и слипании частиц друг с другом (коагуляции). Это ведёт к появлению оболочек из летучих веществ (в основном льдов) и к образованию пористых агрегатных частиц. Разрушение пылинок происходит в результате распыления в ударных волнах, возникающих после вспышек сверхновых звёзд, или испарения в процессе звездообразования, начавшемся в облаке. Оставшаяся пыль продолжает эволюционировать вблизи сформировавшейся звезды и позднее проявляется в форме межпланетного пылевого облака или кометных ядер. Парадоксально, но вокруг проэволюционировавших (старых) звёзд пыль является «свежей» (недавно образовавшейся в их атмосфере), а вокруг молодых звёзд - старой (проэволюционировавшей в составе межзвёздной среды). Предполагается, что космологическая пыль, возможно существующая в удалённых галактиках, сконденсировалась в выбросах вещества после взрывов массивных сверхновых звёзд.
Лит. смотри при ст. Межзвёздная пыль.
Межзвездная пыль – это продукт разнообразных по своей интенсивности процессов, протекающих во всех уголках Вселенной, а ее невидимые частицы достигают даже поверхности Земли, летая в атмосфере вокруг нас.
Многократно подтвержденный факт – природа не любит пустоты. Межзвездное космическое пространство, представляющееся нам вакуумом, на самом деле заполнено газом и микроскопическими, размером в 0,01-0,2 мкм, частицами пыли. Соединение этих невидимых элементов рождает объекты огромной величины, своего рода облака Вселенной, способные поглощать некоторые виды спектрального излучения звезд, иногда полностью скрывая их от земных исследователей.
Из чего состоит межзвездная пыль?
Эти микроскопические частицы имеют ядро, которое формируется в газовой оболочке звезд и полностью зависит от ее состава. Например, из крупиц углеродных светил образуется графитовая пыль, а из кислородных – силикатная. Это интересный процесс, длящийся целыми десятилетиями: при остывании звезды теряют свои молекулы, которые улетая в пространство, соединяются в группы и становятся основой ядра пылинки. Далее формируется оболочка из атомов водорода и более сложных молекул. В условиях низких температур межзвездная пыль находится в виде кристалликов льда. Странствуя по Галактике, маленькие путешественники теряют часть газа при нагревании, но место улетевших молекул занимают новые.
Расположение и свойства
Основная часть пыли, которая приходится на нашу Галактику, сосредоточена в области Млечного Пути. Она выделяется на фоне звезд в виде черных полос и пятен. Несмотря на то, что вес пыли ничтожен в сравнении с весом газа и составляет всего 1%, она способна скрывать от нас небесные тела. Хотя частички друг от друга и отделяют десятки метров, но даже в таком количестве наиболее плотные области поглощают до 95% света, излучаемого звездами. Размеры газопылевых облаков в нашей системе действительно огромны, они измеряются сотнями световых лет.
Влияние на наблюдения
Глобулы Теккерея делают невидимой область неба, расположенную за ними
Межзвездная пыль поглощает большую часть излучения звезд, особенно в синем спектре, она искажает их свет и полярность. Наибольшее искажение получают короткие волны далеких источников. Микрочастицы, смешанные с газом, заметны в виде темных пятен на Млечном Пути.
В связи с этим фактором ядро нашей Галактики полностью скрыто и доступно для наблюдения только в инфракрасных лучах. Облака с высокой концентрацией пыли становятся практически непрозрачными, поэтому частицы, находящиеся внутри, не теряют свою ледяную оболочку. Современные исследователи и ученые считают, что именно они, слипаясь, образуют ядра новых комет.
Наукой доказано влияние гранул пыли на процессы образования звезд. Эти частицы содержат различные вещества, в том числе металлы, которые выступают катализаторами многочисленных химических процессов.
Наша планета каждый год увеличивает свою массу за счет падающей межзвездной пыли. Конечно, эти микроскопические частицы незаметны, а чтобы их найти и изучить исследуют дно океана и метеориты. Сбор и доставка межзвездной пыли стали одной из функций космических аппаратов и миссий.
При попадании в атмосферу Земли крупные частицы теряют свою оболочку, а мелкие незримо кружат годами вокруг нас. Космическая пыль вездесуща и схожа во всех галактиках, астрономы регулярно наблюдают темные черточки на лике далеких миров.
Многие люди с восторгом любуются прекрасным зрелищем звездного неба, одного из величайших творений природы. В ясном осеннем небе хорошо заметно, как через все небо пролегает слабо светящаяся полоса, называемая Млечным Путем, имеющая неправильные очертания с разной шириной и яркостью. Если рассматривать Млечный Путь, образующий нашу Галактику, в телескоп, то окажется, что эта яркая полоса распадается на множество слабо светящихся звезд, которые для невооруженного глаза сливаются в сплошное сияние. В настоящее время установлено, что Млечный Путь состоит не только из звезд и звездных скоплений, но также из газовых и пылевых облаков .
Космическая пыль возникает во многих космических объектах, где происходит быстрый отток вещества, сопровождаемый охлаждением. Она проявляется по инфракрасному излучению горячих звезд Вольфа-Райе с очень мощным звездным ветром , планетарных туманностей, оболочек сверхновых и новых звезд. Большое количество пыли существует в ядрах многих галактик (например, М82, NGC253), из которых идет интенсивное истечение газа. Наиболее ярко влияние космической пыли проявляется при излучении новой звезды. Через несколько недель после максимума блеска новой в ее спектре появляется сильный избыток излучения в инфракрасном диапазоне, вызванный появлением пыли с температурой около K. Дальнейшая
