Задача 3
Метеорный рой движется на расстоянии 1 а.е. от Солнца по параболической орбите в точности навстречу Земле. В некоторой точке Земли радиант потока располагается в зените. Определите видимые угловые скорости метеоров (в градусах в секунду) у горизонта и на высоте 45° над ним, считая их высоту равной 100 км. Атмосферную рефракцию не учитывать.
Решение
Показать решение
Земля движется по орбите вокруг Солнца с круговой скоростью
Здесь M — масса Солнца, a — радиус орбиты Земли. Метеоры движутся навстречу Земле, перпендикулярно направлению на Солнце. Их гелиоцентрическая скорость метеоров на параболической орбите равна
Таким образом, геоцентрическая скорость метеоров v составляет км/с. В описанном в условии пункте Земли радиант потока находится в зените, то есть метеоры летят параллельно линии, идущей из этого пункта в центр Земли. Они ускоряются притяжением Земли, но весьма незначительно, так как вторая космическая скорость для Земли (11 км/с) существенно меньше. Скорости складываются аналогично теореме Пифагора, и результирующий эффект составит менее 1 км/с.
Если метеор наблюдается на достаточно большой высоте h над горизонтом, то его угловую скорость можно найти, пренебрегая кривизной Земли. Тангенциальная скорость метеора равна , а расстояние до него — , где H есть высота метеора. Видимая угловая скорость метеора будет равна
Если высота h равна 45°, то угловая скорость метеора есть v/2H, что равно 0.36 рад/с или 21°/с. Можно обратить внимание, что это максимальная угловая скорость метеоров при радианте, расположенном в зените. Для малых высот метеоров над горизонтом подобная простая модель неприменима. Если метеор виден у самого горизонта, то его скорость перпендикулярна лучу зрения и тангенциальная скорость равна v. Расстояние до метеора равно
Угловая скорость метеора на горизонте составит
Система оценивания. Выше приведено наиболее простое и при этом достаточное по точности решение задания. Участники могут выполнять решение более сложным образом, что не влияет на оценку, если усложнение не приводит к появлению ошибок.
1 этап решения — определение геоцентрической скорости метеоров — 2 балла. Оценивается только в случае правильного значения — 72 км/с с точностью до 1 км/с (при учете притяжения Земли скорость составит 73 км/с, что также считается верным значением). Участник может не записывать численное значение скорости, продолжая решение в общем виде, тогда оценка определяется правильностью формул для вычисления скорости. Если участник получает неверное значение или путает геоцентрическую скорость с гелиоцентрической (42 км/с), то данные 2 балла не выставляются, но последующие этапы оцениваются в полной мере. В последнем случае в качестве ответов должны быть получены значения угловых скоростей /с и /с.
Участники олимпиады могут пытаться учитывать вклад осевого вращения Земли. Оно имеет скорость не более 0.46 км/с и в указанной точке будет перпендикулярно геоцентрической скорости метеоров. Тем самым, оно никак не скажется на видимой скорости метеоров, в чем можно убедиться из теоремы Пифагора. Правильный учет осевого вращения Земли или вывод о его несущественности не изменяет оценку за этап, при существенном изменении скорости за счет этого эффекта оценка снижается в соответствии с критериями, описанными выше. То же можно сказать о приращении скорости метеоров за счет притяжения Земли.
2 этап решения — 3 балла — определение угловой скорости метеора на высоте над горизонтом. Ее можно вычислять с учетом сферичности Земли, что практически не повлияет на ответ (разница порядка /с). Требуемая точность — /с, при ошибке до /с оценка снижается на 1 балл, при больших ошибках этап не засчитывается (ошибки на предыдущем этапе здесь не учитываются). Если ответ записывается в других единицах (например, в радианах в секунду) - оценка уменьшается на 1 балл, так как требуемые единицы указаны в условии.
3 этап решения — 3 балла — определение угловой скорости метеора на горизонте. Расстояние до метеора L может определяться как приближенно, так и точно, что не влияет на ответ в пределах требуемой точности — . При ошибке до оценка снижается на 1 балл, при больших ошибках этап не засчитывается. Если ответ записывается в других единицах (например, в радианах в секунду) — оценка уменьшается на 1 балл, аналогично второму этапу.