Оптические методы
Самым старым методом изучения метеоров был визуальный метод. Явление метеоров было известно давно, и об особо обильных метеорных дождях, а также о падениях метеоритов делались специальные записи, дошедшие до нас. Такие записи есть у древних китайцев, японцев, корейцев, они имеются у арабских и среднеазиатских ученых (X—XII вв.), в русских летописях.
В Западной Европе уже в XVII в. астрономы умели определять траектории и высоты ярких болидов. Первые визуальные наблюдения метеоров в России провел в январе 1734 г. А. Татищев в Екатеринбурге (ныне Свердловск). Осенью 1798 г. профессор Геттингенского университета (Германия) Г. Лихтенберг предложил студентам Г. Брандесу и И. Бенценбергу пронаблюдать с двух концов базиса метеоры с целью определения их высот и скоростей. За неполных два месяца они отметили 402 метеора, из них 22 было общих. По их данным была определена средняя высота метеоров 98 км и скорость в десятки километров в секунду.
Годом позже известный естествоиспытатель А. Гумбольдт вместе со своим спутником Э. Бонпланом неожиданно стал свидетелем метеорного дождя Леонид, Через несколько лет была установлена космическая природа метеоритов. В 1833 г. наблюдения нового метеорного дождя Леонид позволили Д. Олмстеду (США) открыть и объяснить явление радианта.
Метеоры потока летят в пространстве параллельно друг другу. Но из-за явления перспективы их пути на небе кажутся выходящими из одной точки. Эта точка и называется радиантом (рис. 3).
Рис. 3. Схема явления радианта метеорного потока (радиант обозначен кружком с крестиком) Положение радианта на небе, определенное непосредственно из наблюдений метеоров, называется видимым радиантом. Если исправить его положение за скорость вращения Земли, то мы получим геоцентрический радиант. Если же исправить положение последнего за скорость орбитального движения Земли вокруг Солнца, мы получим гелиоцентрический радиант. Соотношение между ними иллюстрирует рис. 4, на котором vg— геоцентрическая, vh гелиоцентрическая скорость метеороида, vt— скорость Земли по орбите, угол 
'
Рис. 4. «Треугольник скоростей». Определение гелиоцентрического радианта R’ по геоцентрическому радианту R.
Основные усилия наблюдателей XIX в. были направлены на определение радиантов метеорных потоков. Систематические наблюдения метеоров производили курский астроном-самоучка Ф. А. Семенов, известный итальянский астроном Дж. Скиапарелли, московский, а затем пулковский астроном академик Ф. А. Бредихин, английский астроном-любитель У. Ф. Деннинг (Такие наблюдатели, как Ф. А. Семенов и У. Ф. Деннинг, лишь с чисто формальной точки зрения были любителями, поскольку их научная квалификация была вполне на уровне профессионалов). По результатам этих наблюдений У. Ф. Деннинг составил каталог метеорных радиантов XIX в. Позже такие каталоги составили советские исследователи В. А. Мальцев и И. С. Астапович.
В 60-е годы XIX в. выявилась связь некоторых метеорных потоков с кометами. Вычисления орбит тех и других ясно указывали на наличие такой связи. Конкретные примеры будут приведены ниже.
Помимо нанесения метеоров на карту и проведения корреспондирующих наблюдений для определения высот и скоростей, визуальные наблюдатели отмечали блеск, цвет и продолжительность полета метеоров (для чего проходили специальную тренировку). Астроном Московской, а затем Тартуской обсерватории Э. К. Эпик в 20-е годы нашего века предложил метод квалифицированного счета метеоров, который спустя много лет нашел широкое применение в работе крымских наблюдателей. Этот метод состоит в счете числа метеоров в пределах одной и той же области неба, ограниченной рамкой, группой из пяти наблюдателей. Все записи ведет секретарь. Иногда наблюдатели стремятся охватить почти все небо и располагаются по кругу (см. вкл.).
И. С. Астапович предложил и применил «программу-максимум», когда наблюдатель записывает о метеоре максимум сведений, которые он успевает заметить: положение максимума блеска на траектории, очерченность, наличие следа, его яркость, длительность и многое другое. Такие наблюдения могли вести только очень опытные наблюдатели.
В 1932—1933 гг. американские наблюдатели провели специальную экспедицию в штат Аризона, славящийся своими атмосферными условиями, и собрали там несколько тысяч наблюдений метеоров, которые потом были обработаны П. Миллманом.
В те же годы большой цикл визуальных наблюдений метеоров был проведен под руководством В. В. Федынского членами метеорного отдела Московского отделения Всесоюзного астрономо-геодезического общества. Для сбора наблюдений на юг страны — в Крым, на Кавказ, в Среднюю Азию — направлялись специальные экспедиции. Исследовались метеорные потоки Леонид, Персеид, Драконид, южных радиантов, телескопические метеоры (наблюдаемые в бинокли), наконец, спорадические метеоры (не принадлежащие к потокам). Изучались ошибки визуальных наблюдений и методов их обработки, в методику работ были внесены усовершенствования.
Достоинством визуальных наблюдений метеоров является их простота, недостатком — низкая точность. Вот почему уже в конце XIX в. начали подумывать о применении фотографического метода.
Первая фотография метеора была получена 27 ноября 1885 г. Л. Вейнеком в Праге во время метеорного дождя Андромедид. Еще несколько фотографий были получены в 20-е годы на различных астрономических обсерваториях случайно.
В 1894 г. У. Элькин в Нью-Хэвене (штат Коннектикут, США) соорудил первый метеорный патруль из шести камер, на котором за 15 лет было получено 115 фотографий метеоров. В ноябре 1898 г. он получил первый фотографический радиант по фотографиям трех метеоров из потока Леонид. В это же время на Гарвардской обсерватории за одну ночь было снято 34 метеора (активность Леонид была высокой).
В 1899 г. Элькин придумал простое устройство для определения скоростей метеоров по фотографиям — обтюратор. Это пропеллер, быстро вращающийся перед объективами камер и перекрывающий их десятки раз в секунду. В результате путь метеора на фотографии будет иметь вид пунктирной линии, причем длина штрихов будет зависеть не только от угловой скорости вращения обтюратора и ориентировки траектории метеора, но и от его скорости в атмосфере.
Были разработаны математические методы обработки фотографий, с помощью которых стало возможно по обтюраторным снимкам и безобтюраторным снимкам с другого конца базиса получать не только высоты и угол наклона траектории к горизонту, но также скорость метеора в нескольких точках, а по ее изменению — торможение метеора в атмосфере. Кроме того, оба базисных снимка позволяли определять положение радианта; при этом, зная скорость, можно было вычислить орбиту метеорного тела в Солнечной системе.
В первое десятилетие XX в. больших успехов в фотографировании метеоров добился И. И. Сикора, применивший для этого малые светосильные камеры и доказавший их эффективность. 11 августа 1909 г. он со своими сотрудниками получил в Ташкенте и его пригородах впервые снимки одного метеора из трех пунктов. В эти же годы С. Н. Блажко на Московской обсерватории получил три спектра метеоров.
После некоторого перерыва исследования метеоров фотографическим методом возобновились. В нашей стране в 1932 г. была получена первая фотография метеора, снятая с обтюратором, и одновременно фотография того же метеора с базисного пункта. По этим фотографиям был сделан расчет изменения температуры атмосферы с высотой (В. В. Федынский, К. П. Станюкович).
Идея метода определения плотности атмосферы по метеорным фотографиям состоит в следующем. Торможение метеора в атмосфере прямо пропорционально ее плотности. Если считать плотность самой метеорной частицы известной (приняв ее равной хотя бы плотности каменных метеоритов) и определить скорость метеора по фотографии с обтюратором, можно по торможению метеора определить плотность воздуха и ее изменение с высотой (ведь метеор пересекает разные уровни высот). Метеорный метод измерения плотности атмосферы на больших высотах получил в 30—50-е годы большое развитие, пока запуски в верхние слои атмосферы исследовательских ракет с приборами не сделали метеорный метод ненужным.
В 1937 г. в нашей стране был построен, испытан и в 1938 г. введен в строй первый стационарный метеорный патруль в Душанбе, и с тех пор фотографический метод исследования метеоров получил в нашей стране широкое применение. В дальнейшем одесский астроном Е. Н. Крамер усовершенствовал обтюратор, введя в него третье крыло, медленно поворачивающееся относительно двух основных, что позволило определять момент экспозиции по форме перерывов на пути метеора. В середине 60-х годов советские астрономы П. Б. Бабаджанов и Е. Н. Крамер применили метод мгновенной экспозиции, когда перерывы от обтюратора получаются намеренно очень короткими (сектор выреза делается очень узким), так что на снимке видны как бы мгновенные фотографии метеора (Идея метода принадлежит автору этой книги).
В США и Канаде большое распространение для фотографирования метеоров получили сверхсветосильные камеры «Супершмидт» на экваториальной установке, позволившие фотографировать метеоры до 2—3-й звездной величины. Применение в СССР светосильных объективов от аэрофотокамер вскоре позволило нашим астрономам получать фотографии столь же слабых метеоров.
Следующий шаг был сделан в начале 70-х годов в Физико-техническом институте Академии наук Туркменской ССР в Ашхабаде и заключался в применении для фотографирования метеоров и их спектров телевизионной техники и электронно-оптических преобразователей. Это сразу позволило получить снимки метеоров до 4-й, а затем до 6-й звездной величины, а спектры метеоров — до 4-й звездной величины.
Радиолокационные методы
Развитие в 40-х годах техники радиолокации позволило уже начиная с 1946 г. приступить к радиолокации метеоров.
Ионно-электронный след метеора способен отражать радиоволны метрового и декаметрового диапазонов. Поэтому для их регистрации первоначально применяли направленные антенны типа телевизионных (антенны Уда-Яги). В дальнейшем были разработаны более сложные системы антенн, а также усиливающей и регистрирующей аппаратуры, причем метеорные радиолокационные установки и методы продолжают совершенствоваться.
Первые радиолокационные наблюдения метеоров были выполнены И. С. Астаповичем, Б. Ю. Левиным и П. О. Чечиком в СССР, Дж. Хеем, Т. Стюартом, Б. Ловеллом, Дж. Клеггом в Англии. Значительный прогресс эти наблюдения получили в период Международного геофизического года и сотрудничества (1957—1959 гг.). В СССР образовалось несколько центров радиолокационных исследований метеоров. Среди них следует отметить Харьковский институт радиоэлектроники (руководитель лаборатории Б. Л. Кащеев), Казанский университет (К. В. Костылев, О. И. Белькович), Институт астрофизики Академии наук Таджикской ССР (Р. П. Чеботарев, Р. Ш. Бибарсов), Киевский университет (Р. И. Мойся) и другие.
Начиная с 1948 г. разрабатывалась и теория радиолокационного отражения от метеорных следов. Начальные положения теории были разработаны норвежским ученым Н. Херлофсоном. В дальнейшем большой вклад в ее развитие внесли Т. Кайзер в Англии, В. Н. Лебединец и О. И. Белькович в СССР и многие другие.
С принципами радиолокации знаком каждый. Радиоволна, созданная передающей установкой и испущенная направленной антенной, отражается метеорным следом. Отражателями служат электроны следа, поэтому мощность отраженного сигнала зависит при прочих равных условиях от электронной плотности и радиуса следа. Подробнее об этом будет сказано ниже, в разделе «Метеорная ионизация».
Радиолокатор определяет (по времени прохождения радиоволн туда и обратно) наклонную дальность — расстояние до следа. Зная угол наклона луча, можно от него перейти к высоте. По изображению следа на экране можно судить о его длительности и других происходящих с ним изменениях.
Радиолокационная техника позволяет получать амплитудно-временную развертку отражения от следа, т. е. картину изменения его амплитуды во времени. По этой картине можно определять скорость метеора.
С помощью радиолокации можно определять дрейф метеорных следов в атмосфере, а следовательно, и картину ветровых движений в «метеорной зоне», т. е. в метеорном интервале высот.
Большое значение для развития наших знаний о метеорах и верхней атмосфере имела Советская, экваториальная метеорная экспедиция, проработавшая более года (в 1969—1970 гг.) вблизи экватора (в республике Сомали). Она была организована по инициативе члена-корреспондента АН СССР В. В. Федынского, возглавляли ее академик АН ТаджССР П. Б. Бабаджанов и профессор Б. Л. Кащеев. В результате работ этой экспедиции были составлены новые списки радиантов Южного полушария, изучена численность метеоров и ее изменения в течение года, атмосферные дрейфы над экватором.
Венцом радиолокационной техники явилась созданная в Харьковском институте радиоэлектроники под руководством Б. Л. Кащеева автоматическая система, в которой на выходе радиолокатора стоит ЭВМ, которая за 5 с с момента пролета метеора вычисляет его орбиту в Солнечной системе, а за 5 мин — скорость и направление дрейфа следа.
Чувствительность современных радиолокационных установок весьма высока — им доступны метеоры до 12-й звездной величины. Поэтому все наши знания о малых метеорных частицах (меньше 10-3 г) основаны на радиолокационных наблюдениях. Об этом мы еще не раз будем рассказывать в этой книге.