home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Ian & Stuart's Australian Mac: Not for Sale / Another.not.for.sale (Australia).iso / Dr. Doyle / Jupiter Comet / Education Notes / sl9-jpl.02 < prev    next >
Text File  |  1994-04-15  |  8KB  |  151 lines

  1.  
  2. 2. The Motion of Comets
  3.  
  4.         Comets necessarily obey the same physical laws as every 
  5. other object. They move according to the basic laws of motion and 
  6. of universal gravitation discovered by Newton in the 17th century 
  7. (ignoring very small relativistic corrections). If one considers 
  8. only two bodies -- either the Sun and a planet, or the Sun and a 
  9. comet -- the smaller body appears to follow an elliptical path or 
  10. orbit about the Sun, which is at one focus of the ellipse. The 
  11. geometrical constants which fully define the shape of the ellipse 
  12. are the semimajor axis a and the eccentricity e (see Figure 2). 
  13. The semiminor axis b is related to those two quantities by the 
  14. equation b = a(1-e^2). The focus is located a distance ae from the 
  15. center of the ellipse. Three further constants are required if one 
  16. wishes to describe the orientation of the ellipse in space 
  17. relative to some coordinate system, and a fourth quantity is 
  18. required if one wishes to define the location of a body in that 
  19. elliptical orbit.
  20.  
  21. In Figure 2B several ellipses are drawn, all having the same 
  22. semimajor axis but different eccentricities. Eccentricity is a 
  23. mathematical measure of departure from circularity. A circle has 
  24. zero eccentricity, and most of the planets have orbits which are 
  25. nearly circles. Only Pluto and Mercury have eccentricities 
  26. exceeding 0.1. Comets, however, have very large eccentricities, 
  27. often approaching one, the value for a parabola. Such highly 
  28. eccentric orbits are just as possible as circular orbits, as far 
  29. as the laws of motion are concerned.
  30.  
  31. The solar system consists of the Sun, nine planets, numerous 
  32. satellites and asteroids, comets, and various small debris. At any 
  33. given time the motion of any solar system body is affected by the 
  34. gravitational pulls of all of the others. The Sun's pull is the 
  35. largest by far, unless one body approaches very closely to 
  36. another, so orbit calculations usually are carried out as two-body 
  37. calculations (the body in question and the Sun) with small 
  38. perturbations (small added effects due to the pull of other 
  39. bodies). In 1705 Halley noted in his original paper predicting the 
  40. return of "his" comet that Jupiter undoubtedly had serious effects 
  41. on the comet's motion, and he presumed Jupiter to be the cause of 
  42. changes in the period (the time required for one complete 
  43. revolution about the Sun) of the comet. (Comet Halley's period is 
  44. usually stated to be 76 years, but in fact it has varied between 
  45. 74.4 and 79.2 years during the past 2,000 years.) In that same 
  46. paper Halley also became the first to note the very real 
  47. possibility of the collision of comets with planets, but stated 
  48. that he would leave the consequences of such a "contact" or 
  49. "shock" to be discussed "by the Studious of Physical Matters." 
  50.  
  51. In the case of Shoemaker-Levy 9 we have the perfect example both 
  52. of large perturbations and their possible "consequences." The 
  53. comet was fragmented and perturbed into an orbit where the pieces 
  54. will hit Jupiter one period later. In general one must note that 
  55. Jupiter's gravity (or that of other planets) is perfectly capable 
  56. of changing the energy of a comet's orbit sufficiently to throw it 
  57. clear out of the solar system (to give it escape velocity from the 
  58. solar system) and has done so on numerous occasions. See Figure 3. 
  59. This is exactly the same physical effect that permits using 
  60. planets to change the orbital energy of a spacecraft in so-called 
  61. "gravity-assist maneuvers" such as were used by the Voyager 
  62. spacecraft to visit all the outer planets except Pluto.
  63.  
  64. One of Newton's laws of motion states that for every action there 
  65. is an equal and opposite reaction. Comets expel dust and gas, 
  66. usually from localized regions, on the sunward side of the 
  67. nucleus. This action causes a reaction by the cometary nucleus, 
  68. slightly speeding it up or slowing it down. Such effects are 
  69. called "non-gravitational forces" and are simply rocket effects, 
  70. as if someone had set up one or more rocket motors on the nucleus. 
  71. In general both the size and shape of a comet's orbit are changed 
  72. by the non-gravitational forces -- not by much but by enough to 
  73. totally confound all of the celestial mechanics experts of the 
  74. 19th and early 20th centuries. Comet Halley arrived at its point 
  75. closest to the Sun (perihelion) in 1910 more than three days late, 
  76. according to the best predictions. Only after F. L. Whipple 
  77. published his icy conglomerate model of a degassing nucleus in 
  78. 1950 did it all begin to make sense. The predictions for the time 
  79. of perihelion passage of Comet Halley in 1986, which took into 
  80. account a crude model for the reaction forces, were off by less 
  81. than five hours.
  82.  
  83. Much of modern physics is expressed in terms of conservation laws, 
  84. laws about quantities which do not change for a given system. 
  85. Conservation of energy is one of these laws, and it says that 
  86. energy may change form, but it cannot be created or destroyed. 
  87. Thus the energy of motion (kinetic energy) of Shoemaker-Levy 9 
  88. will be changed largely to thermal energy when the comet is halted 
  89. by JupiterUs atmosphere and destroyed in the process. When one 
  90. body moves about another in the vacuum of space, the total energy 
  91. (kinetic energy plus potential energy) is conserved.
  92.  
  93. Another quantity that is conserved is called angular momentum. In 
  94. the first paragraph of this section, it was stated that the 
  95. geometric constants of an ellipse are its semimajor axis and 
  96. eccentricity. The dynamical constants of a body moving about 
  97. another are energy and angular momentum. The total (binding) 
  98. energy is inversely proportional to the semimajor axis. If the 
  99. energy goes to zero, the semimajor axis becomes infinite and the 
  100. body escapes. The angular momentum is proportional both to the 
  101. eccentricity and the energy in a more complicated way, but, for a 
  102. given energy, the larger the angular momentum the more elongated 
  103. the orbit.
  104.  
  105. The laws of motion do not require that bodies move in circles (or 
  106. even ellipses for that matter), but if they have some binding 
  107. energy, they must move in ellipses (not counting perturbations by 
  108. other bodies), and it is then the angular momentum which 
  109. determines how elongated is the ellipse. Comets simply are bodies 
  110. which in general have more angular momentum per unit mass than do 
  111. planets and therefore move in more elongated orbits. Sometimes the 
  112. orbits are so elongated that, because we can observe only a small 
  113. part of them, they cannot be distinguished from a parabola, which 
  114. is an orbit with an eccentricity of exactly one. In very general 
  115. terms, one can say that the energy determines the size of the 
  116. orbit and the angular momentum the shape.
  117.  
  118.  
  119.  
  120.  
  121. Acknowledgments:
  122.         This booklet is the product of many scientists, all of 
  123. whom have cooperated enthusiastically to bring their best 
  124. information about this exciting event to a wider audience. They 
  125. have contributed paragraphs, words, diagrams, slides, and 
  126. preprints as well as their critiques to this document, which 
  127. attempts to present an event that no one is quite sure how to 
  128. describe. Sincere thanks go to Mike A'Hearn, Paul Chodas, Gil 
  129. Clark, Janet Edberg, Steve Edberg, Jim Friedson, Mo Geller, Martha 
  130. Hanner, Cliff Heindl, David Levy, Mordecai-Mark Mac Low, Al 
  131. Metzger, Marcia Neugebauer, Glenn Orton, Elizabeth Roettger, Jim 
  132. Scotti, David Seal, Zdenek Sekanina, Anita Sohus, Harold Weaver, 
  133. Paul Weissman, Bob West, and Don Yeomans -- and to those who might 
  134. have been omitted. The choice of material and the faults and flaws 
  135. in the document obviously remain the responsibility of the author 
  136. alone.
  137.  
  138. The writing and production of this material was made possible 
  139. through the support of Jurgen Rahe and Joe Boyce, Code SL, NASA, 
  140. and of Dan McCleese, Jet Propulsion Laboratory (JPL). For help in 
  141. the layout and production of this booklet, on a very tight 
  142. schedule, additional thanks go to the Design Services Group of the 
  143. JPL Documentation Section.
  144.  
  145. All comments should be addressed to the author:
  146.  
  147. Ray L. Newburn, Jr.
  148. Jet Propulsion Laboratory, MS 169-237
  149. 4800 Oak Grove Dr.
  150. Pasadena, CA 91109-8099
  151.