В уравнениях движения за форму орбиты отвечает эксцентриситет (е), физический смысл которого в том, что он указывает отношение кинетической энергии тела к его потенциальной энергии в гравитационном поле Солнца. Если е<1, тело не может преодолеть притяжение Солнца и движется вокруг него по замкнутой орбите — эллипсу или, в частном случае, окружности. При е⩾1 орбита разомкнута; это гипербола или, в частном случае, парабола. К сожалению, в небесной механике столь изящное решение имеет только задача двух тел, например, Солнце + планета. При взаимодействии трех и более тел простого аналитического выражения для их орбит не существует.
К счастью, Солнце гораздо массивнее любой планеты; поэтому каждая из них движется почти по эллиптической орбите, пока не испытает тесного сближения с другой планетой. За миллиарды лет эволюции более или менее массивные члены Солнечной системы «разобрались» друг с другом и устроились на почти круговых орбитах, гарантирующих отсутствие тесных сближений. Большинство малых тел — астероидов, обитающих между орбитами больших планет, пытаясь избежать их влияния, также устроились на стабильных эллиптических орбитах, поэтому их движение вполне предсказуемо (для надежного расчета такой орбиты достаточно измерить небесные координаты тела всего в трех точках его траектории).
С кометами дело обстоит сложнее. По своему статусу — «хвостатое светило» — они должны большую часть жизни проводить в холодных провинциях Солнечной системы (чтобы сохранить летучие элементы), изредка приближаясь к Солнцу (чтобы согреться и показать хвост). Поэтому они вынуждены пересекать орбиты планет и подвергаться их влиянию. В пределах планетной системы ни одна комета не движется по идеальному коническому сечению, поскольку гравитационное воздействие планет постоянно искажает ее «правильную» траекторию.
Кометы делят на два основных класса в зависимости от периода их обращения вокруг Солнца: короткопериодические имеют период менее 200 лет, долгопериодические — более 200 лет. В конце XX в. наблюдалась очень яркая долгопериодическая комета Хейла-Боппа, которая впервые за исторический период появилась в окрестности Солнца. Уже обнаружено около 700 долгопериодических комет. Их эллиптические орбиты настолько вытянуты, что почти не отличимы от парабол, поэтому такие кометы еще называют параболическими. Из них около 30 имеют очень малые перигелийные расстояния, отчего их иногда называются «царапающими Солнце». В отличие от планет и большинства астероидов, орбиты которых лежат вблизи эклиптики, а обращение происходит в одном («прямом») направлении, орбиты долгопериодических комет наклонены к плоскости эклиптики под всевозможными углами, а обращение происходит как в прямом, так и в обратном направлениях.
Короткопериодических комет сейчас известно более 200. Как правило, их орбиты расположены близко к плоскости эклиптики. Все короткопериодические кометы являются членами кометно-планетных семейств. Крупнейшее семейство принадлежит Юпитеру: около 150 комет с афелийными расстояниями (т.е. наибольшим удалением от Солнца) близкими к большой полуоси орбиты Юпитера (5,2 а.е). Их периоды обращения заключены в пределах 3,3—20 лет. Из них часто наблюдаются кометы Энке, Темпеля-2, Понса-Виннеке, Фая.
У других планет кометные семейства не так богаты: известно около 20 комет семейства Сатурна (Тутля, Неуймина-1, Ван Бисбрука, Гейла и др. с периодами 10—20 лет), несколько комет семейства Урана (Кроммелина, Темпеля-Тутля и др. с периодами 28—40 лет) и около 10-ти из семейства Нептуна (Галлея, Ольберса, Понса-Брукса и др. с периодами 58—120 лет). Считается, что все эти короткопериодические кометы вначале были долгопериодическими, но под действием гравитационного влияния больших планет постепенно перешли на орбиты, связанные с соответствующими планетами и стали членами их кометных семейств. Большая численность кометного семейства Юпитера, разумеется, есть следствие огромной массы этой планеты, оказывающей значительно большее гравитационное влияние на движение комет, чем любая другая планета.
Из всех короткопериодических комет наименьший период обращения у кометы Энке из семейства Юпитера: 3,3 года. Эта комета наблюдалась максимальное число раз при сближениях с Солнцем: около 60 раз за два столетия. Но самой известной в истории человечества является комета Галлея из семейства Нептуна. Имеются записи о ее наблюдениях начиная с 467 г. до н.э. За это время она проходила близ Солнца 32 раза, имея средний период обращения 76,08 лет.
Мини-кометы. Как уже было сказано, за последние годы обнаружено более 4000 астероидов, сближающихся с Землей. По оценкам, общее количество таких тел размером более 100 м. может достигать 140000. Но оказалось, что не только астероиды опасно сближаются с Землей. В последнее время вблизи Земли обнаружены так называемые мини-кометы. По каким траекториям они движутся, пока неизвестно, но их орбиты, вероятно, должны быть похожими на орбиты метеорных и болидных потоков (Леонид, Персеид, Акварид, Драконид и других, известных как потоки «падающих звезд»), пересекающихся с земной орбитой в разное время года. Ведь большинство метеорных потоков, как уже твердо установлено, образовалось при распаде кометных ядер.
Попадания мини-комет в нашу планету, по-видимому, уже наблюдались: с помощью наземных телескопов и снимков со спутника «Полар» в земной стратосфере были обнаружены вспышки, предположительно вызванные падением небольших (около 10 м. в диаметре) объектов ледяного состава.
Форма головы и хвоста кометы
Что представляют собой кометы и почему они выглядят так необычно? Первую удачную попытку объяснить феномен кометы предпринял немецкий математик и астроном Фридрих Бессель (1784—1846) в период наблюдения им кометы Галлея в 1835 г. Бессель создал механическую теорию кометных оболочек, основываясь на идее о том, что в голове кометы частички пыли движутся под действием притяжения к Солнцу и отталкивания от него. В конце XIX в. русский астроном Федор Александрович Бредихин (1831—1904) развил теорию Бесселя и построил эмпирическую классификацию кометных хвостов, хорошо описывающую поведение пылевой составляющей кометного вещества и не потерявшую своего значения до наших дней.
Бредихин использовал относительную величину, назовем ее h, которая показывает, во сколько раз солнечная сила отталкивания, действующая на частицы кометного хвоста, превышает силу тяготения. (Теперь известно, что это отталкивание вызвано давлением света на частицы пыли и нейтральные молекулы, а также давлением солнечного ветра на ионизованные молекулы газа.) Бредихин рассчитал формы кометных хвостов при разных значениях величины h и в соответствие с этим классифицировал наблюдавшиеся хвосты.
К I типу он отнес прямолинейные узкие хвосты, почти не отклоняющиеся от направления Солнце-комета; на их частицы действует очень сильное отталкивание; значение h для них лежит в пределах от нескольких десятков до нескольких тысяч единиц. Это газовые, а точнее — плазменные хвосты. Очертания таких хвостов часто бывают неправильными, а их внутренняя структура иногда струйчатая, винтовая или волнистая. Вдоль этих лучей могут перемещаться с большой скоростью сгустки кометной материи — облачные образования.
