Кіріспе
Ғарышта айналатын денеге әсер ететін күш – Ярковский эффектісі. Бұл эффект импульс тасымалдайтын жылу фотондарының анизотроптық шығарылуынан туындайтын күш. Ол көбінесе метеориттермен немесе шағын астероидтармен (шамамен 10 см-ден 10 км-ге дейін диаметрі бар) байланысты қарастырылады, себебі оның әсері осы денелерге ең көп тиесілі.
The Yarkovsky effect is a force acting on a rotating body in space caused by the anisotropic emission of thermal photons, which carry momentum. It is usually considered in relation to meteoroids or small asteroids (about 10 cm to 10 km in diameter), as its influence is most significant for these bodies.
Ашу тарихы
Эффектті поляк-ресейлік инженер-құрылысшы Иван Осипович Ярковский (1844–1902) ашқан. Бос уақытында ғылыми мәселелермен айналысқан Ярковский шамамен 1900 жылы жазған бір памфлетінде, ғарышта айналатын дененің күнделікті қызуы оған әсер ететін күшті тудыратынын, бұл күш өте шағын болғанымен, метеориттер мен шағын астероидтар сияқты кішкентай денелердің орбиталарында ұзақ мерзімді үлкен өзгерістерге алып келуі мүмкін екенін атап көрсеткен. Ярковскийдің бұл ойы естен шығып кетпегені үшін эстон астрономы Эрнст Ж. Опик (1893–1985) шамамен 1909 жылы Ярковскийдің памфлетін оқыған. Он жылдар өткен соң, Опик памфлетті есте сақтап, Ярковский эффектының Күн жүйесіндегі метеориттердің қозғалысына тигізетін ықтимал маңыздылығын талқылады.
Механизм
Ярковский эффектісі сәулелену арқылы жылытылған дененің температурасының өзгеруі (соның салдарынан дененің шығаратын жылулық сәулеленуінің қарқындылығы) келіп түсетін сәулеленудің өзгеруінен кейінірек болуымен байланысты. Яғни, дененің беті алғаш жарықтанғанда жылуға уақыт керек, ал жарық тоқтағанда салқындауға уақыт керек. Жалпы, әсердің екі компоненті бар:
Diurnal effect: On a rotating body illuminated by the Sun (e. g. an asteroid or the Earth), the surface is warmed by solar radiation during the day, and cools at night. The thermal properties of the surface cause a lag between the absorption of radiation from the Sun and the emission of radiation as heat, so the warmest point on a rotating body occurs around the "2 PM" site on the surface, or slightly after noon. This results in a difference between the directions of absorption and re emission of radiation, which yields a net force along the direction of motion of the orbit. If the object is a prograde rotator, the force is in the direction of motion of the orbit, and causes the semi major axis of the orbit to increase steadily; the object spirals away from the Sun. A retrograde rotator spirals inward. The diurnal effect is the dominant component for bodies with diameter greater than about 100 m.
Seasonal effect: This is easiest to understand for the idealised case of a non rotating body orbiting the Sun, for which each "year" consists of exactly one "day". As it travels around its orbit, the "dusk" hemisphere which has been heated over a long preceding time period is invariably in the direction of orbital motion. The excess of thermal radiation in this direction causes a braking force that always causes spiraling inward toward the Sun. In practice, for rotating bodies, this seasonal effect increases along with the axial tilt. It dominates only if the diurnal effect is small enough. This may occur because of very rapid rotation (no time to cool off on the night side, hence an almost uniform longitudinal temperature distribution), small size (the whole body is heated throughout) or an axial tilt close to 90°. The seasonal effect is more important for smaller asteroid fragments (from a few metres up to about 100 m), provided their surfaces are not covered by an insulating regolith layer and they do not have exceedingly slow rotations. Additionally, on very long timescales over which the spin axis of the body may be repeatedly changed by collisions (and hence also the direction of the diurnal effect changes), the seasonal effect will also tend to dominate. Without direct measurement, it is very hard to predict the exact result of the Yarkovsky effect on a given asteroid's orbit. This is because the magnitude of the effect depends on many variables that are hard to determine from the limited observational information that is available. These include the exact shape of the asteroid, its orientation, and its albedo. Calculations are further complicated by the effects of shadowing and thermal "reillumination", whether caused by local craters or a possible overall concave shape. The Yarkovsky effect also competes with radiation pressure, whose net effect may cause similar small long term forces for bodies with albedo variations or non spherical shapes. As an example, even for the simple case of the pure seasonal Yarkovsky effect on a spherical body in a circular orbit with 90° obliquity, semi major axis changes could differ by as much as a factor of two between the case of a uniform albedo and the case of a strong north–south albedo asymmetry. Depending on the object's orbit and spin axis, the Yarkovsky change of the semi major axis may be reversed simply by changing from a spherical to a non spherical shape. Despite these difficulties, utilizing the Yarkovsky effect is one scenario under investigation to alter the course of potentially Earth impacting near Earth asteroids. Possible asteroid deflection strategies include "painting" the surface of the asteroid or focusing solar radiation onto the asteroid to alter the intensity of the Yarkovsky effect and so alter the orbit of the asteroid away from a collision with Earth. The OSIRIS REx mission, launched in September 2016, studies the Yarkovsky effect on asteroid Bennu. In 2020, astronomers confirmed Yarkovsky acceleration of the asteroid 99942 Apophis. The findings are relevant to asteroid impact avoidance as 99942 Apophis was thought to have a very small chance of Earth impact in 2068, and the Yarkovsky effect was a significant source of prediction uncertainty. In 2021, a multidisciplinary professional amateur collaboration combined Gaia satellite and ground based radar measurements with amateur stellar occultation observations to further refine 99942 Apophis's orbit and measure the Yarkovsky acceleration with high precision, to within 0.5%. With these, astronomers were able to eliminate the possibility of a collision with the Earth for at least the next 100 years.
Күндізгі әсер: Күнмен жарықтандырылған айналатын дененің (мысалы, астероид немесе Жердің) беті күндіз күн сәулесімен жылынады және түнде салқындайды. Дененің жылулық қасиеттері Күннен сәулеленуді сіңіру мен жылу түрінде сәулеленуді шығару арасында уақытша кешігуге себеп болады, сондықтан айналатын дененің ең ыстық нүктесі дененің бетіндегі "сағат 2-де" немесе түстен кейін пайда болады. Бұл сәулеленуді сіңіру және қайта шығару бағыттары арасындағы айырмашылыққа әкеледі, нәтижесінде орбитаның қозғалыс бағыты бойынша күш пайда болады. Егер дененің айналуы проградтық болса, күш орбитаның қозғалыс бағытында болады және орбитаның үлкен жарты осьтің тұрақты өсуіне себеп болады; дененің Күннен спираль тәрізді алыстауына әкеледі. Ретроградтық айналу спираль тәрізді ішке қарай жылжуға себеп болады. Күндізгі әсер диаметрі шамамен 100 м-ден жоғары денелер үшін басым компонент болып табылады.
Diurnal effect: On a rotating body illuminated by the Sun (e. g. an asteroid or the Earth), the surface is warmed by solar radiation during the day, and cools at night. The thermal properties of the surface cause a lag between the absorption of radiation from the Sun and the emission of radiation as heat, so the warmest point on a rotating body occurs around the "2 PM" site on the surface, or slightly after noon. This results in a difference between the directions of absorption and re emission of radiation, which yields a net force along the direction of motion of the orbit. If the object is a prograde rotator, the force is in the direction of motion of the orbit, and causes the semi major axis of the orbit to increase steadily; the object spirals away from the Sun. A retrograde rotator spirals inward. The diurnal effect is the dominant component for bodies with diameter greater than about 100 m.
Seasonal effect: This is easiest to understand for the idealised case of a non rotating body orbiting the Sun, for which each "year" consists of exactly one "day". As it travels around its orbit, the "dusk" hemisphere which has been heated over a long preceding time period is invariably in the direction of orbital motion. The excess of thermal radiation in this direction causes a braking force that always causes spiraling inward toward the Sun. In practice, for rotating bodies, this seasonal effect increases along with the axial tilt. It dominates only if the diurnal effect is small enough. This may occur because of very rapid rotation (no time to cool off on the night side, hence an almost uniform longitudinal temperature distribution), small size (the whole body is heated throughout) or an axial tilt close to 90°. The seasonal effect is more important for smaller asteroid fragments (from a few metres up to about 100 m), provided their surfaces are not covered by an insulating regolith layer and they do not have exceedingly slow rotations. Additionally, on very long timescales over which the spin axis of the body may be repeatedly changed by collisions (and hence also the direction of the diurnal effect changes), the seasonal effect will also tend to dominate. Without direct measurement, it is very hard to predict the exact result of the Yarkovsky effect on a given asteroid's orbit. This is because the magnitude of the effect depends on many variables that are hard to determine from the limited observational information that is available. These include the exact shape of the asteroid, its orientation, and its albedo. Calculations are further complicated by the effects of shadowing and thermal "reillumination", whether caused by local craters or a possible overall concave shape. The Yarkovsky effect also competes with radiation pressure, whose net effect may cause similar small long term forces for bodies with albedo variations or non spherical shapes. As an example, even for the simple case of the pure seasonal Yarkovsky effect on a spherical body in a circular orbit with 90° obliquity, semi major axis changes could differ by as much as a factor of two between the case of a uniform albedo and the case of a strong north–south albedo asymmetry. Depending on the object's orbit and spin axis, the Yarkovsky change of the semi major axis may be reversed simply by changing from a spherical to a non spherical shape. Despite these difficulties, utilizing the Yarkovsky effect is one scenario under investigation to alter the course of potentially Earth impacting near Earth asteroids. Possible asteroid deflection strategies include "painting" the surface of the asteroid or focusing solar radiation onto the asteroid to alter the intensity of the Yarkovsky effect and so alter the orbit of the asteroid away from a collision with Earth. The OSIRIS REx mission, launched in September 2016, studies the Yarkovsky effect on asteroid Bennu. In 2020, astronomers confirmed Yarkovsky acceleration of the asteroid 99942 Apophis. The findings are relevant to asteroid impact avoidance as 99942 Apophis was thought to have a very small chance of Earth impact in 2068, and the Yarkovsky effect was a significant source of prediction uncertainty. In 2021, a multidisciplinary professional amateur collaboration combined Gaia satellite and ground based radar measurements with amateur stellar occultation observations to further refine 99942 Apophis's orbit and measure the Yarkovsky acceleration with high precision, to within 0.5%. With these, astronomers were able to eliminate the possibility of a collision with the Earth for at least the next 100 years.
Маусымдық әсер: Бұл Күнді айналып жүретін айналмасыз дененің идеалды жағдайында түсіну оңай, онда әрбір "жыл" дәл бір "күннен" тұрады. Ол орбитасымен қозғалғанда, ұзақ уақыт бойы қыздырылған "көктем" жарты шар орбиталық қозғалыс бағытында болады. Бұл бағыттағы жылулық сәулеленудің артық болуы тежеу күшін тудырады, ол әрқашан Күнге қарай спираль тәрізді ішке қарай жылжуға себеп болады. Іс жүзінде, айналатын денелер үшін бұл маусымдық әсер осьтік бұрылыспен бірге артады. Ол тек күндізгі әсер жеткілікті түрде аз болған жағдайда ғана басым болады. Бұл өте жылдам айналудың (түн жағында салқындауға уақыт жоқ, сондықтан температураның бойлық таралуы біркелкі), кішкентай мөлшерінің (барлық дененің барлық бөлігі қыздырылады) немесе 90°-қа жақын осьтік бұрылыстың салдары болуы мүмкін. Маусымдық әсер кішкентай астероид фрагменттері үшін маңызды (бірнеше метрден шамамен 100 метрге дейін), егер олардың беттері оқшаулағыш реголит қабатымен жабылмаса және олардың айналуы өте баяу болмаса. Сонымен қатар, дененің айналу осі соқтығысулар арқылы бірнеше рет өзгеруі мүмкін (соның салдарынан күндізгі әсердің бағыты да өзгереді) ұзақ уақыт аралығында маусымдық әсер де басым болады. Тікелей өлшеусіз, белгілі бір астероидтің орбитасында Ярковский әсерінің нақты нәтижесін болжау өте қиын. Себебі әсердің шамасы көптеген айнымалыларға байланысты, оларды бақылаудың шектеулі мәліметінен анықтау қиын. Бұған астероидтің нақты пішіні, бағыты және альбедосы жатады. Есептеулерді жергілікті кратерлер немесе жалпы дөңгелек пішіннің әсерінен болатын көлеңке және жылулық "қайта жарықтандыру" әсері де қиындатады. Ярковский эффекті сондай-ақ сәулелену қысымымен бәсекелеседі, оның таза әсері альбедоның өзгеруі немесе сфералық емес пішіні бар денелер үшін ұқсас шағын ұзақ мерзімді күштерді тудыруы мүмкін. Мысалы, 90° көлбеулігі бар дөңгелек орбитадағы шар тәрізді денеде таза маусымдық Ярковский әсерінің қарапайым жағдайында, үлкен жарты осьтің өзгеруі біркелкі альбедо жағдайы мен күшті солтүстік-оңтүстік альбедо асимметриясы жағдайында екі есеге дейін айырмашылық болуы мүмкін. Дененің орбитасы мен айналу осіне байланысты үлкен жарты осьтің Ярковский өзгеруі шар пішінінен шар пішіндес пішінге ауысу арқылы кері айналуы мүмкін. Осы қиындықтарға қарамастан, Ярковский эффектін пайдалану Жерге жақын астероидтердің Жерге соқтығысу мүмкіндігін өзгерту үшін зерттеліп жатқан сценарийлердің бірі болып табылады. Мүмкін астероидті бұру стратегияларына астероидтің бетін "бояу" немесе күн сәулесін астероидке бағыттау жатады, бұл Ярковский әсерінің қарқындылығын өзгертіп, астероидтің Жермен соқтығысудан алыс орбитасын өзгертеді. 2016 жылдың қыркүйек айында ұшырылған OSIRIS REx миссиясы Бенну астероидіндегі Ярковский әсерін зерттейді. 2020 жылы астрономдар 99942 Апофис астероидінің Ярковский үдеуін растады. Бұл зерттеулер астероидтардың соқтығысуын болдырмау үшін маңызды, өйткені 99942 Апофис 2068 жылы Жерге соқтығысу мүмкіндігі өте аз деп есептелді, ал Ярковский эффекті болжаудың маңызды белгісіздігі болды. 2021 жылы көп салалы кәсіби әуесқойлық бірлестігі Gaia спутнигі мен жер бетінен алынған радар өлшемдерін әуесқой жұлдыздық оккультациялық байқаулармен біріктіріп, 99942 Апофистің орбитасын одан әрі нақтылады және Ярковский үдеуін 0,5% дейін жоғары дәлдікпен өлшеді. Осы мәліметтердің арқасында астрономдар Жермен соқтығысу мүмкіндігін кем дегенде келесі 100 жылға жойды.
Diurnal effect: On a rotating body illuminated by the Sun (e. g. an asteroid or the Earth), the surface is warmed by solar radiation during the day, and cools at night. The thermal properties of the surface cause a lag between the absorption of radiation from the Sun and the emission of radiation as heat, so the warmest point on a rotating body occurs around the "2 PM" site on the surface, or slightly after noon. This results in a difference between the directions of absorption and re emission of radiation, which yields a net force along the direction of motion of the orbit. If the object is a prograde rotator, the force is in the direction of motion of the orbit, and causes the semi major axis of the orbit to increase steadily; the object spirals away from the Sun. A retrograde rotator spirals inward. The diurnal effect is the dominant component for bodies with diameter greater than about 100 m.
Seasonal effect: This is easiest to understand for the idealised case of a non rotating body orbiting the Sun, for which each "year" consists of exactly one "day". As it travels around its orbit, the "dusk" hemisphere which has been heated over a long preceding time period is invariably in the direction of orbital motion. The excess of thermal radiation in this direction causes a braking force that always causes spiraling inward toward the Sun. In practice, for rotating bodies, this seasonal effect increases along with the axial tilt. It dominates only if the diurnal effect is small enough. This may occur because of very rapid rotation (no time to cool off on the night side, hence an almost uniform longitudinal temperature distribution), small size (the whole body is heated throughout) or an axial tilt close to 90°. The seasonal effect is more important for smaller asteroid fragments (from a few metres up to about 100 m), provided their surfaces are not covered by an insulating regolith layer and they do not have exceedingly slow rotations. Additionally, on very long timescales over which the spin axis of the body may be repeatedly changed by collisions (and hence also the direction of the diurnal effect changes), the seasonal effect will also tend to dominate. Without direct measurement, it is very hard to predict the exact result of the Yarkovsky effect on a given asteroid's orbit. This is because the magnitude of the effect depends on many variables that are hard to determine from the limited observational information that is available. These include the exact shape of the asteroid, its orientation, and its albedo. Calculations are further complicated by the effects of shadowing and thermal "reillumination", whether caused by local craters or a possible overall concave shape. The Yarkovsky effect also competes with radiation pressure, whose net effect may cause similar small long term forces for bodies with albedo variations or non spherical shapes. As an example, even for the simple case of the pure seasonal Yarkovsky effect on a spherical body in a circular orbit with 90° obliquity, semi major axis changes could differ by as much as a factor of two between the case of a uniform albedo and the case of a strong north–south albedo asymmetry. Depending on the object's orbit and spin axis, the Yarkovsky change of the semi major axis may be reversed simply by changing from a spherical to a non spherical shape. Despite these difficulties, utilizing the Yarkovsky effect is one scenario under investigation to alter the course of potentially Earth impacting near Earth asteroids. Possible asteroid deflection strategies include "painting" the surface of the asteroid or focusing solar radiation onto the asteroid to alter the intensity of the Yarkovsky effect and so alter the orbit of the asteroid away from a collision with Earth. The OSIRIS REx mission, launched in September 2016, studies the Yarkovsky effect on asteroid Bennu. In 2020, astronomers confirmed Yarkovsky acceleration of the asteroid 99942 Apophis. The findings are relevant to asteroid impact avoidance as 99942 Apophis was thought to have a very small chance of Earth impact in 2068, and the Yarkovsky effect was a significant source of prediction uncertainty. In 2021, a multidisciplinary professional amateur collaboration combined Gaia satellite and ground based radar measurements with amateur stellar occultation observations to further refine 99942 Apophis's orbit and measure the Yarkovsky acceleration with high precision, to within 0.5%. With these, astronomers were able to eliminate the possibility of a collision with the Earth for at least the next 100 years.