МИКРОВОЛНОВОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ПЫЛЕВОЙ КОРКИ КОМЕТНОГО ЯДРА. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

July 8, 2012 by admin Комментировать »

Илюшин Я. А.

Московский государственный Университет им. М. В. Ломоносова физический факультет, кафедра физики атмосферы Ленинские Горы, ГСП-2, Москва 119992, Россия тел.(095)939-3252,e-mail: iiyushin@phys.msu.ru, rx3ahi@maii.ru


Аннотация. Проведено численное моделирование теплового излучения пылевой корки кометы в микроволновом диапазоне. Показана возможность определения типа структуры пылевой корки по данным измерений радиояркостной температуры пылевой корки в диапазоне миллиметровых волн.

I.  Введение

Кометы являются весьма интересным классом небесных тел в Солнечной системе. По существующим представлениям, ядра комет были сформированы несколько миллиардов лет назад. Считается, что с тех пор ядра комет не претерпели никаких значимых изменений. По этой причине, исследование ядер комет может дать информацию о физических процессах, имевших место в период их формирования.

В настоящее время в мире развернут ряд исследовательских программ по изучению комет и их ядер. В частности, планируются эксперименты по микроволновому зондированию комет с помощью как земных телескопов, так и космических аппаратов.

II.  Основная часть

Общепринятой на данный момент является двухслойная модель кометного ядра [1], состоящая из собственно ледяного ядра и пылевой корки на его поверхности. В пользу наличия этой корки на поверхности ядра свидетельствует целый ряд обстоятельств. Так, космические снимки ядер комет показывают, что большая часть поверхности ядра неактивна, т.е. на ней отсутствуют видимые выбросы пыли и газа. При этом поверхность ядра отличается низким значением альбедо в видимым диапазоне, более характерным для покрытых пылью тел типа Луны, нежели чем для чистого льда. Имеются и другие особенности поведения комет, находящие своё объяснение в рамках двухслойной модели кометного ядра.

В толще пылевой корки идут сложные процессы теплообмена, радиационного переноса, сублимацииреконденсации летучих веществ и т.д. Все эти имеющие там место явления определяют термический режим нижележащих слоев кометы и тепловой баланс ядра кометы в целом. Фактически пылевая корка служит эффективным теплоизолятором, ограничивающим скорость потери летучих веществ ядром кометы под воздействием солнечных лучей и определяющим время жизни кометы.

Тем самым, детальное исследование процессов, происходящих в пылевой корке, необходимо для правильного понимания истории эволюции кометы.

где /3показатель степени, Nqнормировочная

постоянная. По различным оценкам, значение /? равно нескольким единицам.

В литературе обсуждается несколько типов структуры пылевой корки: а) плотная пылевая корка со связанными частицами пыли, газ диффундирует сквозь пористую корку; б) пылевая корка умеренной плотности со слабо связанными частицами, газ свободно проходит сквозь поры; в) режим псевдоожижения пылевого слоя ("кипящий слой"), частицы свободно плавают в исходящем потоке газа, наиболее мелкие частицы покидают слой; г) режим пневмотранспорта пыли, при котором пыль полностью уносится уходящим потоком. Различные типы структуры характеризуются различным распределением температуры по толщине корки. Так, для диффузионного режима проникновения газа сквозь пылевую корку существует аналитическое выражение для распределения температуры с глубиной [2]:

где Ci исходящий поток газа, С2 исходящий кондуктивный поток тепла, Сз поступающий поток тепла от солнечной радиации, выражающийся формулой

к постоянная Больцмана, Кт теплопроводность пылевой корки, С, глубина от поверхности корки, Ау

и Ат альбедо поверхности корки в видимом и инфракрасном (тепловом) диапазоне, соответственно, С постоянная Стефана-Больцмана, S солнечная постоянная на земной орбите, г гелиоцентрическое расстояние кометы в астрономических единицах,

Ts температура поверхности пылевой корки.

Для режима псевдоожижения получение аналитического решения затруднительно, однако существуют оценки [1], связывающие температуру на внешней поверхности пылевой корки с температурой на поверхности раздела корки и ядра:

где Tt температура поверхности раздела корки и ядра, Qполный исходящий поток теплоты, h толщина пылевой корки, s = \ — AT< Dкоэффициент диффузии молекул газа в корке, эффективное значение скорости

молекул газа, покидающих поверхность корки.

Следуя работе [2] и ряду других работ, для численных расчётов использовался степенной закон распределения частиц пыли по размерам:

В настоящей работе проведено двухпотоковым методом [3] моделирование теплового радиоизлучения пылевых корок кометного ядра с различными типами структуры. При моделировании использовались заимствованные из литературы температурные профили. Радиояркостная температура пылевой корки кометы в диапазоне миллиметровых волн определяется тепловым режимом верхнего слоя пылевой корки, толщина которого в зависимости от типа структуры корки и используемой длины волны составляет от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров.

I.    Заключение

В работе исследованы возможности зондирования поверхностного слоя комет в микроволновом диапазоне. Показано, что для широкого класса распределений частиц пыли по размерам ход радиояркостной температуры в зависимости от частоты излучения, а также характер изменения радиояркостной температуры с изменением потока падающей солнечной радиации позволяет сделать вывод о типе структуры пылевой корки.

Настоящая работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 02-05-65350.

II.   Список литературы

1.    Шульман, Л. М. Ядра комет. М.: Наука, 1987 232 с.

2.     Rickman Н., J. A. Fernandez, and В. A. S. Gustafson. Formation of stable dust mantles on short period comet nuclei. Astronomy and Astrophysics, 237, 1990, p. 524-535.

3.     Hapke B. A model of radiative and conductive energy transfer in planetary regoliths. J. Geophys. Res., 101, no. E7, pp. 16,817-16,831.

MICROWAVE REMOTE SENSING OF DUST MANTLE OF THE COMETARY NUCLEUS. NUMERICAL SIMULATIONS

Yaroslav A. ILYUSHIN Moscow State University RUSSIA 119992 GSP-2 Moscow Lengory MSU Physical Faculty Atmospheric Physics Department ph. (095) 939-3252 E-mail: ilyushin@phys.msu.ru, rx3ahi@maii.ru

Abstract. Numerical simulations of microwave thermal radiation of cometary dust mantle have been performed. It is shown that the type of structure of the dust mantle of the cometary nucleus can be retrieved from the observational data of the millimeter wave band radio brightness temperature.

I. Introduction

Comets are the very interesting class of celestial bodies in the Solar System. Investigation of the nuclei can provide with information about physical conditions that took place at the moment of formation of cometary nuclei.

At present, a number of cometary research programs in the world is under development. In particular, microwave observations both by space instruments and ground-based telescopes are being considered.

II. The main part

The core-mantle model of the cometary nucleus is currently common [1]. There is a number of evidences supporting this point of view. The space images of cometary nuclei show that the most part of surface of the nuclei is inactive, i.e. does not produce visible dust of gas ejections. There are some other observational results that can be explained in terms of the coremantle model.

In the bulk of the dust mantle complicated physical processes take place, such that thermal and radiation transport, sublimation and recondensation of volatiles etc. Detailed investigation of the processes in the dust mantle is necessary for understanding the history of evolution of the comet.

Several structural models of the dust mantle can be found in the literature: a “heavy mantle” model, dense crust of bound particles, gas penetrates outward diffusively; a “loose lattice” model, density is so low that gas flows through mantle unimpededly; a “fluidized bed” model, the particles are freely tumbling in the gas flow; the pneumatic transport regime, the dust particles are blown off from the surface. Different types of dust mantles have different temperature depth profiles.

In the present work, the thermal radiation from surface of dust mantle has been simulated in the two-stream approximation [3]. The radio brightness temperature of the mantle surface in the millimeter wave band is dominated by the thermal regime of the topmost layer of the dust mantle, which is of thickness from several millimeters to several centimeters, depending on the type of structure and wavelength.

III. Conclusions and remarks

The possibility of microwave sensing of the cometary dust mantle is considered. It has been shown that the type of structure of cometary mantle can be retrieved from the observations of its microwave radio brightness temperature.

This work has been done under the financial support of RFFI (grant no. 02-05-65350).

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты