Существует также большое количество малых планет (астероидов), которые по своему химическому составу не сильно отличаются от планет земной группы.

Иногда в окрестность Солнца, занятую планетами земной группы, залетают кометы, их состав во многом отличается как от планет-гигантов, так и от планет земной группы. Существует гипотеза, согласно которой за пределами орбиты Плутона в Солнечной системе находится огромное количество малых небесных тел – так называемое облако Оорта. Тела вращаются там вместе с пылью и газом, как правило, в том же направлении вокруг Солнца, что и большие планеты. Они движутся очень медленно, но иногда, пролетая мимо друг друга на небольшом расстоянии, могут значительно изменить свою скорость по направлению. Если одно из тел в результате такой встречи передаст другому значительную часть своего момента импульса относительно Солнца, то само оно попадет на другую орбиту, которая проходит вблизи Солнца. Такое тело, как говорят, сваливается из облака Оорта в окрестность Солнца. В зависимости от величины своей скорости на большом расстоянии от Солнца, тело может стать «одноразовой» или длиннопериодической кометой.

Пролетая вблизи какой-нибудь из больших планет, такое тело может снова изменить свою скорость (совершить гравитационный маневр) и стать кометой со сравнительно небольшим периодом, например как у кометы Галлея. Астрономические наблюдения спектров излучения хвостов комет дают основания считать, что ядра комет составлены из летучих веществ, например воды, метана, аммиака. Самостоятельным и весьма интересным является вопрос о природе существенных различий в химическом составе планет-гигантов, планет земной группы и комет. Однако оставим его на будущее.

А пока попытаемся найти ответ на другой вопрос: как долго живет ледяное ядро кометы? Велико или мало время его жизни по сравнению со временем существования Солнечной системы? Представим себе, что на круговой орбите с радиусом, равным половине расстояния от Земли до Солнца (0,5 а.е.), появилась ледяная комета, имеющая форму шара с начальной температурой 0 К и начальным радиусом 1 км. Пусть наша комета достаточно быстро вращается вокруг оси, перпендикулярной плоскости орбиты. Будем считать, что бóльшая часть (75%) солнечной радиации отражается от поверхности кометы. Оценим время жизни такой кометы, если никаких катастрофических столкновений с ней не произойдет. Молекулы воды, оторвавшиеся от поверхности льда, могут удерживаться собственным гравитационным полем кометы только в том случае, если скорость их теплового движения во много раз меньше второй космической скорости. Для кометы выбранных нами размеров эта скорость равна примерно 0,7 м/с, поэтому ясно, что гравитационное притяжение кометы не сможет удержать молекулы воды, оторвавшиеся от ее поверхности. Иными словами, атмосферы вокруг кометы не будет. Покинувшие поверхность кометы молекулы практически никогда не возвращаются обратно.

Ясно, что наибольший поток солнечной радиации будет приходиться на единицу поверхности кометы вблизи ее экватора. Так называемая солнечная постоянная, то есть мощность солнечного излучения, падающего перпендикулярно на площадку в 1 м2 на Земле, равна W = 1,36 кВт. Такая же мощность будет поглощаться каждым квадратным метром льда вблизи экватора кометы. Дело в том, что за счет приближения кометы к Солнцу поток излучения увеличивается в 4 раза, но 75% этого потока отражается поверхностью. Средняя мощность, приходящаяся на 1 м 2 поверхности вблизи экватора кометы и усредненная за большое время, будет равна 433 Вт.

Рассмотрим следующую ситуацию. Как только комета появляется на орбите, она освещается Солнцем, и температура ее поверхности начинает повышаться. Внешние слои льда, постепенно прогреваясь, передают тепло и внутренним слоям. По мере разогрева поверхности все большую роль начинает играть рассеяние тепла в окружающее пространство. Расход тепла льдом, нагретым на поверхности кометы, происходит по нескольким причинам. Первая из них – испарение льда, вторая – тепловое излучение, третья – прогрев внутренних областей (тепло, полученное внутренними областями кометы, в конце концов будет потрачено на то, чтобы испарять лед с ее поверхности или на тепловое излучение).

Оценим среднюю температуру, которая может установиться на поверхности кометы через некоторое достаточно большое время после ее появления на орбите. Ориентироваться будем на среднюю температуру поверхности Земли, равную примерно 290 К. Земля теряет энергию в основном за счет теплового излучения. Поверхность Земли больше чем на 70% покрыта водой, и поглощает Земля на единицу площади в среднем столько же, сколько наша комета, поэтому ясно, что выше 290 К средняя температура поверхности кометы быть не может. Лед обладает плохой теплопроводностью, поэтому поверхность кометы вблизи экватора быстро прогревается. Коэффициент теплопроводности льда равен 2,2 Вт/(м ⋅ К).

Количество молекул, покидающих поверхность тела, граничащую с насыщенным паром, по порядку величины равно числу ударов молекул пара о поверхность. Представим себе, что каждая ударившаяся о поверхность молекула прилипает к ней. Тогда ровно такое же количество молекул должно отрываться от поверхности и покидать ее за то же время (на самом деле количество покидающих поверхность молекул в несколько раз меньше, это связано с тем, что не все молекулы сразу после удара прилипают к поверхности – большинство упруго отскакивают от поверхности). Каждая испарившаяся с поверхности нашей кометы молекула уносит с собой энергию, которая потребовалась ей для отрыва от соседок, и вдобавок среднюю тепловую энергию, соответствующую данной температуре поверхности. Над поверхностью кометы нет атмосферы, поэтому пар не совершает работы по расширению в атмосфере.

Реально существующие ледяные кометы, конечно же, не попадают на круговую орбиту вокруг Солнца. Периодические кометы бóльшую часть времени проводят на значительном удалении от нашего светила. Однако именно в то время, когда они находятся на сравнительно небольших расстояниях от Солнца, они сильно теряют в массе. Если бы комета Галлея имела ледяное ядро диаметром около 10 км и из своего 80-летнего периода находилась на расстоянии 0,5 а.е. от Солнца лишь 0,3 года, то для полного ее испарения потребовалось бы только 1300 оборотов – всего-то каких-то 100 тысяч лет, что в масштабах времени жизни Солнечной системы (5 миллиардов лет) ничтожно мало. Поэтому кометы и не появляются на небе каждую ночь (они не могут накопиться в большом количестве).

Появление кометы с периодом, сравнимым с периодами обращения больших планет вокруг Солнца, редкое событие, потому что требуется благоприятное стечение обстоятельств, при которых тело, пролетая в окрестности Солнца, должно испытать сильное воздействие одной из больших планет. Планета должна так изменить траекторию движения тела, чтобы из длиннопериодической или одноразовой кометы получилась короткопериодическая. Какова вероятность такого события? Это отдельный интересный вопрос. Если бы сейчас на небе появлялась в среднем за десять лет одна комета, похожая по характеристикам на комету Галлея, это означало бы, что одновременно существуют около десятка тел, которые периодически появляются вблизи Солнца и видны как кометы. Поскольку время жизни одной такой кометы порядка 100 тысяч лет, отсюда следует вывод, что частота появления таких комет из облака Оорта примерно одна за десять тысяч лет и что за время существования Земли появилось и успело испариться около Солнца примерно полмиллиона комет типа кометы Галлея.

(автор С. Варламов, архив журнала «квант»)