home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ RISC DISC 2 / RISC_DISC_2.iso / resources / nasa / shoemaker / info / comet_fact_sheets < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1995-05-03  |  92.2 KB  |  1,493 lines

  1. Periodic Comet Shoemaker-Levy 9 Collides with Jupiter  JULY 1994
  2. Background Material for Science Teachers
  3.  
  4.  
  5. Comet Shoemaker-Levy 9 is expected to collide with Jupiter in July 1994.  From
  6. this historic event, scientists hope to learn more about comets, Jupiter, and
  7. the physics of high velocity planetary impacts.
  8.  
  9. For a period of about six days centered on July 19, 1994, fragments of Comet
  10. Shoemaker-Levy 9 are expected to collide with Jupiter, the solar system's
  11. largest planet.  No such event has ever before been available for study.  The
  12. energy released by the larger fragments during impact will be more than 10,000
  13. times the energy released by a 100-megaton hydrogen bomb!  Unfortunately for
  14. observers, the collisions will occur on the night side of Jupiter, which also
  15. will be the back side as seen from Earth. The collisions can still be studied
  16. in many ways, nevertheless, by spacecraft more advantageously located, by light
  17. of the collisions reflected from Jupiter's satellites, and by the effects of
  18. the impacts upon the Jovian atmosphere. (The impact sites will rotate into view
  19. from Earth about 20 minutes after each collision.)
  20.  
  21. Stupendous as these collisions will be, they will occur on the far side of a
  22. body half a billion miles from Earth. There will be no display visible to the
  23. general public, not even a display as obvious as a faint terrestrial meteor.
  24. Amateur astronomers may note a few seconds of brightening of the inner
  25. satellites of Jupiter during the impacts, and they might observe minor changes
  26. in the Jovian cloud structure during the days following the impacts.  The real
  27. value of this most unusual event will come from scientific studies of the
  28. comet's composition, of the impact phenomena themselves, and of the response of
  29. a planetary atmosphere and magnetosphere to such a series of "insults."
  30.  
  31. This booklet offers some background material on Jupiter, comets, what has and
  32. possibly will happen, and how scientists propose to take advantage of the
  33. impact events.
  34.  
  35. Contents
  36. 1.    What Is a Comet?
  37. 2.    The Motion of Comets
  38. 3.    The Fragmentation of Comets
  39. 4.    The Discovery and Early Study of Shoemaker-Levy 9
  40. 5.    The Planet Jupiter
  41. 6.    The Final Orbit of Shoemaker-Levy 9
  42. 7.    The Collisions
  43. 8.    How Can These Impacts and Their Consequences Be Studied?
  44. 9.    What Do Scientists Expect to Learn from All of This?
  45.  
  46. Appendices
  47. A.    Comparative Tables
  48. B.    The K-T Event
  49. C.    The Probability of Collisions with Earth
  50.  
  51. NOTE: Diagrams and illustrations refered to in the text will be produced as GIF
  52. files in the near future.  When they become available, these text files will be
  53. reposted with them.
  54.  
  55. 1.  What is a Comet?
  56.  
  57.     Comets are small, fragile, irregularly shaped bodies composed of a
  58. mixture of non-volatile grains and frozen gases.  They usually follow highly
  59. elongated paths around the Sun. Most become visible, even in telescopes, only
  60. when they get near enough to the Sun for the Sun's radiation to start subliming
  61. the volatile gases, which in turn blow away small bits of the solid material.
  62. These materials expand into an enormous escaping atmosphere called the coma,
  63. which becomes far bigger than a planet, and they are forced back into long
  64. tails of dust and gas by radiation and charged particles flowing from the Sun.
  65. Comets are cold bodies, and we see them only because the gases in their comae
  66. and tails fluoresce in sunlight (somewhat akin to a fluorescent light) and
  67. because of sunlight reflected from the solids.  Comets are regular members of
  68. the solar system family, gravitationally bound to the Sun. They are generally
  69. believed to be made of material, originally in the outer part of the solar
  70. system, that didn't get incorporated into the planets -- leftover debris, if
  71. you will.  It is the very fact that they are thought to be composed of such
  72. unchanged "primitive" material that makes them extremely interesting to
  73. scientists who wish to learn about conditions during the earliest period of the
  74. solar system.  Comets are very small in size relative to planets.  Their
  75. average diameters usually range from 750 m or less to about 20 km.
  76.  
  77. Recently, evidence has been found for much larger distant comets, perhaps
  78. having diameters of 300 km or more, but these sizes are still small compared to
  79. planets.  Planets are usually more or less spherical in shape, usually bulging
  80. slightly at the equator.  Comets are irregular in shape, with their longest
  81. dimension often twice the shortest. (See Appendix A, Table 3.) The best
  82. evidence suggests that comets are very fragile.  Their tensile strength (the
  83. stress they can take without being pulled apart) appears to be only about 1,000
  84. dynes/cm^2 (about 2 lb./ft.^2).  You could take a big piece of cometary
  85. material and simply pull it in two with your bare hands, something like a
  86. poorly compacted snowball.
  87.  
  88. Comets, of course, must obey the same universal laws of motion as do all other
  89. bodies.  Where the orbits of planets around the Sun are nearly circular,
  90. however, the orbits of comets are quite elongated.  Nearly 100 known comets
  91. have periods (the time it takes them to make one complete trip around the Sun)
  92. five to seven Earth years in length.  Their farthest point from the Sun (their
  93. aphelion) is near Jupiter's orbit, with the closest point (perihelion) being
  94. much nearer to Earth. A few comets like Halley have their aphelions beyond
  95. Neptune (which is six times as far from the Sun as Jupiter). Other comets come
  96. from much farther out yet, and it may take them thousands or even hundreds of
  97. thousands of years to make one complete orbit around the Sun. In all cases, if
  98. a comet approaches near to Jupiter, it is strongly attracted by the
  99. gravitational pull of that giant among planets, and its orbit is perturbed
  100. (changed), sometimes radically.  This is part of what happened to Shoemaker-
  101. Levy 9. (See Sections 2 and 4 for more details.)
  102.  
  103. The nucleus of a comet, which is its solid, persisting part, has been called an
  104. icy conglomerate, a dirty snowball, and other colorful but even less accurate
  105. descriptions.  Certainly a comet nucleus contains silicates akin to some
  106. ordinary Earth rocks in composition, probably mostly in very small grains and
  107. pieces.  Perhaps the grains are "glued" together into larger pieces by the
  108. frozen gases.  A nucleus appears to include complex carbon compounds and
  109. perhaps some free carbon, which make it very black in color.  Most notably, at
  110. least when young, it contains many frozen gases, the most common being ordinary
  111. water.  In the low pressure conditions of space, water sublimes, that is, it
  112. goes directly from solid to gas -- just like dry ice does on Earth. Water
  113. probably makes up 75-80% of the volatile material in most comets.  Other common
  114. ices are carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2), methane (CH4), ammonia
  115. (NH3), and formaldehyde (H2CO).  Volatiles and solids appear to be fairly well
  116. mixed throughout the nucleus of a new comet approaching the Sun for the first
  117. time.  As a comet ages from many trips close to the Sun, there is evidence that
  118. it loses most of its ices, or at least those ices anywhere near the nucleus
  119. surface, and becomes just a very fragile old "rock" in appearance,
  120. indistinguishable at a distance from an asteroid.
  121.  
  122. A comet nucleus is small, so its gravitational pull is very weak.  You could
  123. run and jump completely off of it (if you could get traction).  The escape
  124. velocity is only about 1 m/s (compared to 11 km/s on Earth). As a result, the
  125. escaping gases and the small solid particles (dust) that they drag with them
  126. never fall back to the nucleus surface.  Radiation pressure, the pressure of
  127. sunlight, forces the dust particles back into a dust tail in the direction
  128. opposite to the Sun. A comet's tail can be tens of millions of kilometers in
  129. length when seen in the reflected sunlight.  The gas molecules are torn apart
  130. by solar ultraviolet light, often losing electrons and becoming electrically
  131. charged fragments or ions.  The ions interact with the wind of charged
  132. particles flowing out from the Sun and are forced back into an ion tail, which
  133. again can extend for millions of kilometers in the direction opposite to the
  134. Sun. These ions can be seen as they fluoresce in sunlight.
  135.  
  136. Every comet then really has two tails, a dust tail and an ion tail.  If the
  137. comet is faint, only one or neither tail may be detectable, and the comet may
  138. appear just as a fuzzy blob of light, even in a big telescope.  The density of
  139. material in the coma and tails is very low, lower than the best vacuum that can
  140. be produced in most laboratories.  In 1986 the Giotto spacecraft flew right
  141. through Comet Halley only a few hundred kilometers from the nucleus.  Though
  142. the coma and tails of a comet may extend for tens of millions of kilometers and
  143. become easily visible to the naked eye in Earth's night sky, as Comet West's
  144. were in 1976, the entire phenomenon is the product of a tiny nucleus only a few
  145. kilometers across.  Because comet nuclei are so small, they are quite difficult
  146. to study from Earth. They always appear at most as a point of light in even the
  147. largest telescope, if not lost completely in the glare of the coma.  A great
  148. deal was learned when the European Space Agency, the Soviet Union, and the
  149. Japanese sent spacecraft to fly by Comet Halley in 1986.  For the first time,
  150. actual images of an active nucleus were obtained (see Figure 1) and the
  151. composition of the dust and gases flowing from it was directly measured.  Early
  152. in the next century the Europeans plan to send a spacecraft called Rosetta to
  153. rendezvous with a comet and watch it closely for a long period of time.  Even
  154. this sophisticated mission is not likely to tell scientists a great deal about
  155. the interior structure of comets, however.  Therefore, the opportunity to
  156. reconstruct the events that occurred when Shoemaker-Levy 9 split and to study
  157. those that will occur when the fragments are destroyed in Jupiter's atmosphere
  158. is uniquely important (see Sections 4, 7, and 8).
  159.  
  160. 2.  The Motion of Comets
  161.  
  162.     Comets necessarily obey the same physical laws as every other object.
  163. They move according to the basic laws of motion and of universal gravitation
  164. discovered by Newton in the 17th century (ignoring very small relativistic
  165. corrections).  If one considers only two bodies -- either the Sun and a planet,
  166. or the Sun and a comet -- the smaller body appears to follow an elliptical path
  167. or orbit about the Sun, which is at one focus of the ellipse.  The geometrical
  168. constants which fully define the shape of the ellipse are the semimajor axis a
  169. and the eccentricity e (see Figure 2).  The semiminor axis b is related to
  170. those two quantities by the equation b = a(1-e2).  The focus is located a
  171. distance ae from the center of the ellipse.  Three further constants are
  172. required if one wishes to describe the orientation of the ellipse in space
  173. relative to some coordinate system, and a fourth quantity is required if one
  174. wishes to define the location of a body in that elliptical orbit.
  175.  
  176.     In Figure 2B several ellipses are drawn, all having the same semimajor
  177. axis but different eccentricities.  Eccentricity is a mathematical measure of
  178. departure from circularity.  A circle has zero eccentricity, and most of the
  179. planets have orbits which are nearly circles.  Only Pluto and Mercury have
  180. eccentricities exceeding 0.1.  Comets, however, have very large eccentricities,
  181. often approaching one, the value for a parabola.  Such highly eccentric orbits
  182. are just as possible as circular orbits, as far as the laws of motion are
  183. concerned.
  184.  
  185. The solar system consists of the Sun, nine planets, numerous satellites and
  186. asteroids, comets, and various small debris.  At any given time the motion of
  187. any solar system body is affected by the gravitational pulls of all of the
  188. others.  The Sun's pull is the largest by far, unless one body approaches very
  189. closely to another, so orbit calculations usually are carried out as two-body
  190. calculations (the body in question and the Sun) with small perturbations (small
  191. added effects due to the pull of other bodies).  In 1705 Halley noted in his
  192. original paper predicting the return of "his" comet that Jupiter undoubtedly
  193. had serious effects on the comet's motion, and he presumed Jupiter to be the
  194. cause of changes in the period (the time required for one complete revolution
  195. about the Sun) of the comet. (Comet Halley's period is usually stated to be 76
  196. years, but in fact it has varied between 74.4 and 79.2 years during the past
  197. 2,000 years.) In that same paper Halley also became the first to note the very
  198. real possibility of the collision of comets with planets, but stated that he
  199. would leave the consequences of such a "contact" or "shock" to be discussed "by
  200. the Studious of Physical Matters."
  201.  
  202. In the case of Shoemaker-Levy 9 we have the perfect example both of large
  203. perturbations and their possible "consequences." The comet was fragmented and
  204. perturbed into an orbit where the pieces will hit Jupiter one period later.  In
  205. general one must note that Jupiter's gravity (or that of other planets) is
  206. perfectly capable of changing the energy of a comet's orbit sufficiently to
  207. throw it clear out of the solar system (to give it escape velocity from the
  208. solar system) and has done so on numerous occasions.  See Figure 3.  This is
  209. exactly the same physical effect that permits using planets to change the
  210. orbital energy of a spacecraft in so-called "gravity-assist maneuvers" such as
  211. were used by the Voyager spacecraft to visit all the outer planets except
  212. Pluto.
  213.  
  214. One of Newton's laws of motion states that for every action there is an equal
  215. and opposite reaction.  Comets expel dust and gas, usually from localized
  216. regions, on the sunward side of the nucleus.  This action causes a reaction by
  217. the cometary nucleus, slightly speeding it up or slowing it down.  Such effects
  218. are called "non-gravitational forces" and are simply rocket effects, as if
  219. someone had set up one or more rocket motors on the nucleus.  In general both
  220. the size and shape of a comet's orbit are changed by the non-gravitational
  221. forces -- not by much but by enough to totally confound all of the celestial
  222. mechanics experts of the 19th and early 20th centuries.  Comet Halley arrived
  223. at its point closest to the Sun (perihelion) in 1910 more than three days late,
  224. according to the best predictions.  Only after F. L. Whipple published his icy
  225. conglomerate model of a degassing nucleus in 1950 did it all begin to make
  226. sense.  The predictions for the time of perihelion passage of Comet Halley in
  227. 1986, which took into account a crude model for the reaction forces, were off
  228. by less than five hours.
  229.  
  230. Much of modern physics is expressed in terms of conservation laws, laws about
  231. quantities which do not change for a given system.  Conservation of energy is
  232. one of these laws, and it says that energy may change form, but it cannot be
  233. created or destroyed.  Thus the energy of motion (kinetic energy) of
  234. Shoemaker-Levy 9 will be changed largely to thermal energy when the comet is
  235. halted by Jupiter's atmosphere and destroyed in the process.  When one body
  236. moves about another in the vacuum of space, the total energy (kinetic energy
  237. plus potential energy) is conserved.
  238.  
  239. Another quantity that is conserved is called angular momentum.  In the first
  240. paragraph of this section, it was stated that the geometric constants of an
  241. ellipse are its semimajor axis and eccentricity.  The dynamical constants of a
  242. body moving about another are energy and angular momentum.  The total (binding)
  243. energy is inversely proportional to the semimajor axis.  If the energy goes to
  244. zero, the semimajor axis becomes infinite and the body escapes.  The angular
  245. momentum is proportional both to the eccentricity and the energy in a more
  246. complicated way, but, for a given energy, the larger the angular momentum the
  247. more elongated the orbit.
  248.  
  249. The laws of motion do not require that bodies move in circles (or even ellipses
  250. for that matter), but if they have some binding energy, they must move in
  251. ellipses (not counting perturbations by other bodies), and it is then the
  252. angular momentum which determines how elongated is the ellipse.  Comets simply
  253. are bodies which in general have more angular momentum per unit mass than do
  254. planets and therefore move in more elongated orbits.  Sometimes the orbits are
  255. so elongated that, because we can observe only a small part of them, they
  256. cannot be distinguished from a parabola, which is an orbit with an eccentricity
  257. of exactly one.  In very general terms, one can say that the energy determines
  258. the size of the orbit and the angular momentum the shape.
  259.  
  260.  
  261. 3.  The Fragmentation of Comets
  262.  
  263.     Every body is held together by two forces, its self- gravitation and
  264. its internal strength due to molecular bonding.  With no external forces on it
  265. (and no initial rotation) a liquid body would form a perfect sphere just from
  266. self-gravitation (and from very weak molecular forces -- surface tension).
  267. Approaching another body, the sphere would begin to elongate toward that body.
  268. Finally, when the difference in gravitational force on the near side and far
  269. side of the former sphere exceeded the selfgravitation, the body would be torn
  270. apart.  The distance from the larger body at which this disruption occurs is
  271. the so-called Roche limit, named for the man who first studied the problem.
  272. The differential gravitational effects of the Moon and the Sun are what raise
  273. the tides in Earth's oceans, and such forces are often referred to as tidal
  274. forces.
  275.  
  276. Solid bodies have intrinsic strength due to their molecular bonds.  Aluminum
  277. wire may have a tensile strength of 2.4 x 10^9 dynes/cm2 (5 million lb./ft.2)
  278. and good steel wire a tensile strength 10 times larger still, which far exceeds
  279. the tidal force of anything short of a black hole.  As stated in Section 1,
  280. comets have very low tensile strength, near 1 x 10^3 dynes/cm2 (2 lb./ft.2).
  281. They can be pulled apart very easily by tidal force (or any other substantial
  282. force, for that matter).  Some 25 comets have been observed to split over the
  283. past two centuries.  In other cases two or more comets have been discovered in
  284. nearly the same orbit, and calculations have indicated that they were once a
  285. single comet.  A few of these cases have been obviously attributable to the
  286. tidal forces of Jupiter (Comet Brooks 2 and Comet Shoemaker-Levy 9) or the Sun
  287. (the Kreutz comet family), while other splittings have to be attributed to less
  288. obvious causes.  For example, the loss of material from an active comet, which
  289. tends to occur from a few localized areas, is bound to weaken it.  It may be
  290. that a rapidly rotating comet can be weakened to the point where the
  291. centrifugal force is sufficient to cause large pieces to break off.
  292.  
  293. The Kreutz family is the name given to many comets which closely approach the
  294. Sun from one direction in space.  They always approach the Sun to within 3
  295. million km or less, and some have actually hit the Sun. The family was named
  296. for Heinrich Kreutz who published extensive monographs on three of these comets
  297. and supported the idea that they had a common origin, perhaps in a giant comet
  298. observed in 372 B.C. Today the Kreutz family has eight definite, well-studied
  299. members; 16 probable members (that are listed as probable only because they
  300. didn't survive passage within 800,000 km of the Sun to permit further study);
  301. and three more possible members.  Extensive work by Brian Marsden suggests that
  302. all of these may have resulted from the splitting of two comets around 1100
  303. A.D., which in turn may have been the parts of the great comet of 372 B.C.
  304. Those Kreutz fragments which survive their encounters with the Sun are often
  305. found to have split yet again!
  306.  
  307. The classic Roche limit for a (fluid) body of density 1 g/cm3 approaching
  308. Jupiter is about 119,000 km above the cloud tops of the planet.  It is about
  309. 169,000 km for a body having a density of 0.5 g/cm3.  More complete modern
  310. theories making different assumptions result in a somewhat smaller limit.  In
  311. 1886 Comet Brooks 2 came within 72,000 km of Jupiter's clouds and split into
  312. two pieces.  In July 1992 Comet Shoemaker-Levy 9 came within about 25,000 km of
  313. Jupiter's clouds and fragmented into 21 or more large pieces and an enormous
  314. amount of smaller debris down to micron or submicron size.  Details of this
  315. last event follow.
  316.  
  317. 4.  The Discovery and Early Study of Shoemaker-Levy 9
  318.  
  319.     Comet Shoemaker-Levy 9 was discovered photographically by the husband
  320. and wife scientific team of Carolyn S. and Eugene M. Shoemaker and David H.
  321. Levy on March 24, 1993, using the 0.46-m (18-in.) Schmidt telescope at Palomar
  322. Observatory in California. Its discovery was a serendipitous product of their
  323. continuing search for "near-Earth objects," and the "9" indicates that it was
  324. the ninth short-period comet (period less than 200 years) discovered by this
  325. team.  Near-Earth objects are bodies whose orbits come nearer to the Sun than
  326. that of Earth and hence have some potential for collisions with Earth. The
  327. appearance of the comet was reported as "most unusual"; the object appeared as
  328. "a dense, linear bar about 1 arc minute long" and had a "fainter, wispy 'tail.'
  329. " (A circle is divided into 360 degrees, each degree into 60 minutes, and each
  330. minute into 60 seconds.  The word "arc" is added to denote an angular measure
  331. rather than time.  The diameter of the Moon is near 30 arc minutes, for
  332. example, while the apparent diameter of Jupiter when closest to Earth is 50 arc
  333. seconds.) The comet's brightness was reported as about magnitude 14, more than
  334. a thousand times too faint to be seen with the naked eye.
  335.  
  336. The existence of this object was soon confirmed by James V. Scotti of the
  337. Spacewatch program at the University of Arizona, and the International
  338. Astronomical Union's Central Bureau for Astronomical Telegrams immediately
  339. issued "Circular No. 5725" reporting the discovery as a new comet, giving it
  340. the provisional designation of 1993e (the fifth comet discovered or recovered
  341. in 1993).  Scotti reported at least five condensations in a "long, narrow train
  342. about 47 arc seconds in length and about 11 arc seconds in width," with dust
  343. trails extending 4.20 arc minutes to the east and 6.89 arc minutes to the west
  344. and tails extending about 1 arc minute from elements of the nuclear train.
  345. Bureau director Brian G. Marsden noted that the comet was some 4 degrees from
  346. Jupiter and that its motion suggested that it could be near Jupiter's distance
  347. from the Sun.
  348.  
  349. By March 27 Marsden had enough positions to attempt to derive possible orbits.
  350. One elliptical solution gave a close approach to Jupiter in July 1992.  Also on
  351. March 27, Jane Luu and David Jewitt took an image with the 2.2-m telescope on
  352. Mauna Kea in Hawaii that showed as many as 17 separate sub-nuclei "strung out
  353. like pearls on a string" 50 arc seconds long, and this was reported in Circular
  354. No. 5730 two days later.  Figure 4 shows an early image taken by Scotti on
  355. March 30, 1993.  This long exposure (440 seconds on a CCD detector) brings out
  356. the faint detail of the debris field, though it overexposes the individual
  357. nucleus fragments.  Figure 5 is an image from the Hubble Space Telescope (HST),
  358. taken by Harold A. Weaver and collaborators on July 1, 1993 (before the HST
  359. repair mission), that clearly shows at least 15 individual fragments in one
  360. image frame of the train.
  361.  
  362. In IAU Circular No. 5744, dated April 3, 1993, Marsden used positions covering
  363. a period of 17 days (including two prediscovery positions from March 15) and
  364. was able to report that no orbit of very long period (near parabolic) was
  365. possible.  The orbit had to be an ellipse of rather small eccentricity relative
  366. to the Sun and relatively short period.  Since it was not at all obvious where
  367. the center of mass of this new comet lay, most observers were just reporting
  368. the position of what appeared to be the center of the train.  This made an
  369. accurate orbit (or orbits) difficult to determine.  Marsden suggested that a
  370. very close approach to Jupiter in 1992 continued to be a distinct possibility,
  371. and the orbit he chose to publish was one with the comet "at least temporarily"
  372. in orbit around Jupiter.
  373.  
  374. By May 22 Marsden had almost 200 positions of the center of the train.  In
  375. Circular No. 5800 he reported on an orbit computed May 18 by Syuichi Nakano
  376. that showed the comet approaching within 120,000 km of Jupiter on July 8, 1992,
  377. and approaching again, this time within 45,000 km of the center of Jupiter, on
  378. July 25, 1994.  Marsden noted that this distance was less than the radius of
  379. Jupiter. In other words, the comet, or at least parts of it, could very well
  380. hit Jupiter.
  381.  
  382. By October 18, 1993, Paul W. Chodas and Donald K. Yeomans were able to report
  383. at the annual American Astronomical Society's Division of Planetary Sciences
  384. meeting that the probability of impact for the major fragments of
  385. Shoemaker-Levy 9 was greater than 99%.  The fragments apparently would hit over
  386. a period of several days, centered on July 21.2, on the night side of Jupiter
  387. at latitude 44 degrees S and longitude 35 degrees past the midnight meridian,
  388. according to available observations.  This unfortunately is also the back side
  389. of Jupiter as viewed from Earth. The 1992 approach to Jupiter that disrupted
  390. the comet was calculated to have been at a distance of 113,000 km from the
  391. planet's center and only 42,000 km above its cloud tops.  Furthermore, they
  392. found that the comet had been in a rapidly changing orbit around Jupiter for
  393. some time before this, probably for at least several decades.  It did not
  394. fragment during earlier approaches to Jupiter, however, because these were at
  395. much greater distances than that of 1992.
  396.  
  397. After recovery of the comet on December 9, following the period during which it
  398. was too near to the Sun in the sky to observe, Chodas and Yeomans found that
  399. the probability was greater than 99.99% that all the large fragments will hit
  400. Jupiter. The encounter period is now centered on July 19.5, and orbits for
  401. individual fragments are uncertain by about 0.03 days (1 s).  The impact site
  402. has moved closer to the limb of Jupiter, now near 75 from the midnight meridian
  403. and only a few degrees beyond the dark limb as seen from Earth, but all pieces
  404. still impact on the back side.  The 1992 approach that split the comet is now
  405. calculated to have occurred on July 7.84 and only 25,000 km (15,500 mi.) above
  406. the clouds.  These data now cover a much longer time base and are based upon
  407. calculations for individual fragments.  They are unlikely to change
  408. significantly in the future.  The comet probably approached Jupiter no nearer
  409. than about 9 million km in the orbit prior to that of 1992.
  410.  
  411. In a comprehensive paper prepared for The Astronomical Journal, Zdenek
  412. Sekanina, Chodas, and Yeomans report on the details of the breakup of
  413. Shoemaker-Levy 9 as calculated from the positions, motions, and brightness of
  414. the fragments and debris.  They used data from Jewitt, Luu, and Chen taken in
  415. Hawaii, Scotti in Arizona, and Weaver's Hubble Space Telescope (HST) observing
  416. team.  For example, the 11 brightest fragments as measured with the HST, visual
  417. (V) magnitude 23.7-24.8 or about 15 million times too faint to be seen by the
  418. naked eye, had the brightness one would expect from spheres 4.3 down to 2.5 km
  419. in diameter, assuming a normal cometary reflectivity for the fragments (about
  420. 4%).  Of course the fragments are not spheres, since tidal disruption tends to
  421. occur in planes perpendicular to the direction of the object causing the
  422. disruption (Jupiter) and since comets generally are not spherical to begin
  423. with.  Nevertheless, adding up the sizes of these 11 fragments, the other
  424. fragments not precisely measured, and all of the debris making up the trails
  425. and tails, suggests that the original comet must have been at least 9 km in
  426. average diameter, and it could have been somewhat larger.  This was a
  427. good-sized comet, about the same size as Comet Halley.
  428.  
  429. When comets split, the pieces do not go flying apart at a high velocity, each
  430. to immediately go into its own independent orbit.  The escape velocity from a
  431. non-rotating spherical comet 5 km in radius with a density of 0.5 g/cm3 (half
  432. that of water) is 2.65 m/s (6.5 mph).  If suddenly freed of gravity and
  433. molecular bonds, a particle at the equator of that 10-km body, assuming a
  434. rotation period of 12 hours, would depart with a velocity of only 0.72 m/s (1.6
  435. mph) relative to the center of the comet.  Some comets appear to rotate more
  436. rapidly than once per half day, while many, such as Halley, rotate more slowly.
  437. In any case the centrifugal force on unattached pieces of material lying on the
  438. surface of a rotating comet is not normally sufficient to overcome the gravity
  439. holding them there.  Pieces do not fly off of the nucleus "spontaneously." Even
  440. when the tidal forces overcome selfgravity the pieces separate slowly, and they
  441. continue to interact gravitationally.  More important, the pieces bang into one
  442. another, changing their velocities and perhaps fragmenting further.
  443.  
  444. In the case of Shoemaker-Levy 9, Sekanina, Chodas, and Yeomans estimate that
  445. although fragmentation probably began before closest approach to Jupiter,
  446. dynamic independence of the pieces didn't occur until almost two hours after
  447. closest approach.  For a period of at least two-three hours, collisions
  448. dominated the dynamics of all but the largest pieces, with each small grain
  449. suffering some 10 collisions per second and the bigger pieces being subjected
  450. to many times this number of low velocity impacts by the small particles.
  451.  
  452. All of this converted the original rotational velocities of the bits and pieces
  453. of 0-2 mph into a random "equilibrium" velocity distribution, with some smaller
  454. pieces having velocities several times their original velocity.  Once the
  455. pieces stopped hitting one another, each continued to move in its own
  456. independent orbit determined mainly by the gravity of Jupiter and the Sun. The
  457. pressure of light from the Sun also had a significant effect upon the smallest
  458. particles, creating a broad dust tail just as happens in a normal comet.  There
  459. has been no evidence of the presence of gases from Shoemaker-Levy 9, either
  460. direct spectroscopic evidence or motion of the dust particles that cannot
  461. otherwise be explained.  This is not to say that there are no gases, only that
  462. there is no evidence for them.  The only direct evidence we have that
  463. Shoemaker-Levy 9 is really a comet and not an asteroid is the fact that it
  464. broke up so easily!  Asteroids are not thought to be so fragile.  It is
  465. unlikely that the exact circumstances of the breakup of Shoemaker-Levy 9 will
  466. ever be known with certainty.  However, the physical model needed to reproduce
  467. the train (of individual large fragments), the trails (of debris on either side
  468. of the train), and the tails (of very small particles in the anti-Sun
  469. direction) in many images like those shown in Figures 4 and 5 does set limits
  470. on the separation time, sizes, and velocities of the pieces and particles
  471. making up each element.  The model of Sekanina, Chodas, and Yeomans, the most
  472. complete at this writing, suggests that the original comet cannot have been
  473. much smaller than 9 km in mean diameter, that it probably was rotating quite
  474. rapidly (perhaps once in eight hours), and that the breakup, as defined by
  475. dynamical independence from collisions and limited mutual gravitational
  476. effects, was not completed until about two hours after the closest approach to
  477. Jupiter. The comet nucleus was probably not very spherical or the debris trails
  478. on either side of the train of nucleus fragments would be nearly equal in
  479. length, which they are not.  After the collisions ceased, the motion of the
  480. largest fragments was dominated by Jupiter, with those fragments closest to
  481. Jupiter at breakup remaining closest and therefore moving with a shorter period
  482. in accordance with basic mechanics.  The fragment that started nearest to
  483. Jupiter will be the first to return to Jupiter and hit the planet.
  484.  
  485. All of the large fragments were soon strung out in nearly a straight line that
  486. pointed at Jupiter, and they will remain so until colliding with the planet
  487. (see Figure 6).  H. J. Melosh and P. Schenk have offered the intriguing
  488. suggestion that linear chains of craters observed on Jupiter's satellites
  489. Ganymede and Callisto are the product of impacts by earlier comets fragmented
  490. by Jupiter.
  491.  
  492. 5.  The Planet Jupiter
  493.  
  494.     Jupiter is the largest of the nine planets, more than 10 times the
  495. diameter of Earth and more than 300 times its mass.  In fact the mass of
  496. Jupiter is almost 2.5 times that of all the other planets combined.  Being
  497. composed largely of the light elements hydrogen and helium, its mean density is
  498. only 1.314 times that of water.  The mean density of Earth is 5.245 times that
  499. of water.  The pull of gravity on Jupiter at the top of the clouds at the
  500. equator is 2.4 times as great as gravity's pull at the surface of Earth at the
  501. equator.  The bulk of Jupiter rotates once in 9h 55.5m, although the period
  502. determined by watching cloud features differs by up to five minutes due to
  503. intrinsic cloud motions.
  504.  
  505. The visible "surface" of Jupiter is a deck of clouds of ammonia crystals, the
  506. tops of which occur at a level where the pressure is about half that at Earth's
  507. surface.  The bulk of the atmosphere is made up of 89% molecular hydrogen (H2)
  508. and 11% helium (He).  There are small amounts of gaseous ammonia (NH3), methane
  509. (CH4), water (H2O), ethane (C2H6), acetylene (C2H2), carbon monoxide (CO),
  510. hydrogen cyanide (HCN), and even more exotic compounds such as phosphine (PH3)
  511. and germane (GeH4).  At levels below the deck of ammonia clouds there are
  512. believed to be ammonium hydro-sulfide (NH4SH) clouds and water crystal (H2O)
  513. clouds, followed by clouds of liquid water.  The visible clouds of Jupiter are
  514. very colorful.  The cause of these colors is not yet known. "Contamination" by
  515. various polymers of sulfur (S3, S4, S5, and S8), which are yellow, red, and
  516. brown, has been suggested as a possible cause of the riot of color, but in fact
  517. sulfur has not yet been detected spectroscopically, and there are many other
  518. candidates as the source of the coloring.  The meteorology of Jupiter is very
  519. complex and not well understood.  Even in small telescopes, a series of
  520. parallel light bands called zones and darker bands called belts is quite
  521. obvious.  The polar regions of the planet are dark. (See Figure 7.) Also
  522. present are light and dark ovals, the most famous of these being "the Great Red
  523. Spot." The Great Red Spot is larger than Earth, and although its color has
  524. brightened and faded, the spot has persisted for at least 162.5 years, the
  525. earliest definite drawing of it being Schwabe's of Sept. 5, 1831. (There is
  526. less positive evidence that Hooke observed it as early as 1664.) It is thought
  527. that the brighter zones are cloud- covered regions of upward moving atmosphere,
  528. while the belts are the regions of descending gases, the circulation driven by
  529. interior heat.  The spots are thought to be large-scale vortices, much larger
  530. and far more permanent than any terrestrial weather system.
  531.  
  532. The interior of Jupiter is totally unlike that of Earth. Earth has a solid
  533. crust "floating" on a denser mantle that is fluid on top and solid beneath,
  534. underlain by a fluid outer core that extends out to about half of Earth's
  535. radius and a solid inner core of about 1,220-km radius.  The core is probably
  536. 75% iron, with the remainder nickel, perhaps silicon, and many different metals
  537. in small amounts.  Jupiter on the other hand may well be fluid throughout,
  538. although it could have a "small" solid core (say up to 15 times the mass of
  539. Earth!) of heavier elements such as iron and silicon extending out to perhaps
  540. 15% of its radius.  The bulk of Jupiter is fluid hydrogen in two forms or
  541. phases, liquid molecular hydrogen on top and liquid metallic hydrogen below;
  542. the latter phase exists where the pressure is high enough, say 3-4 million
  543. atmospheres.  There could be a small layer of liquid helium below the hydrogen,
  544. separated out gravitationally, and there is clearly some helium mixed in with
  545. the hydrogen.  The hydrogen is convecting heat (transporting heat by mass
  546. motion) from the interior, and that heat is easily detected by infrared
  547. measurements, since Jupiter radiates twice as much heat as it receives from the
  548. Sun. The heat is generated largely by gravitational contraction and perhaps by
  549. gravitational separation of helium and other heavier elements from hydrogen, in
  550. other words, by the conversion of gravitational potential energy to thermal
  551. energy.  The moving metallic hydrogen in the interior is believed to be the
  552. source of Jupiter's strong magnetic field.
  553.  
  554. Jupiter's magnetic field is much stronger than that of Earth. It is tipped
  555. about 11 to Jupiter's axis of rotation, similar to Earth's, but it is also
  556. offset from the center of Jupiter by about 10,000 km (6,200 mi.).  The
  557. magnetosphere of charged particles which it affects extends from 3.5 million to
  558. 7 million km in the direction toward the Sun, depending upon solar wind
  559. conditions, and at least 10 times that far in the anti-Sun direction.  The
  560. plasma trapped in this rotating, wobbling magnetosphere emits radio frequency
  561. radiation measurable from Earth at wavelengths from 1 m or less to as much as
  562. 30 km.  The shorter waves are more or less continuously emitted, while at
  563. longer wavelengths the radiation is quite sporadic.  Scientists will carefully
  564. monitor the Jovian magnetosphere to note the effect of the intrusion of large
  565. amounts of cometary dust into the Jovian magnetosphere.
  566.  
  567. The two Voyager spacecraft discovered that Jupiter has faint dust rings
  568. extending out to about 53,000 km above the atmosphere.  The brightest ring is
  569. the outermost, having only about 800-km width.  Next inside comes a fainter
  570. ring about 5,000 km wide, while very tenuous dust extends down to the
  571. atmosphere.  Again, the effects of the intrusion of the dust from
  572. Shoemaker-Levy 9 will be interesting to see, though not easy to study from the
  573. ground.
  574.  
  575. The innermost of the four large satellites of Jupiter, Io, has numerous large
  576. volcanos that emit sulfur and sulfur dioxide.  Most of the material emitted
  577. falls back onto the surface, but a small part of it escapes the satellite.  In
  578. space this material is rapidly dissociated (broken into its atomic
  579. constituents) and ionized (stripped of one or more electrons).  Once it becomes
  580. charged, the material is trapped by Jupiter's magnetic field and forms a torus
  581. (donut-shape) completely around Jupiter in Io's orbit.  Accompanying the
  582. volcanic sulfur and oxygen are many sodium ions (and perhaps some of the sulfur
  583. and oxygen as well) that have been sputtered (knocked off the surface) from Io
  584. by high energy electrons in Jupiter's magnetosphere.  The torus also contains
  585. protons (ionized hydrogen) and electrons.  It will be fascinating to see what
  586. the effects are when large amounts of fine particulates collide with the torus.
  587.  
  588. Altogether, Jupiter has 16 known satellites.  The two innermost, Metis and
  589. Adrastea, are tiny bodies, having radii near 20 and 10 km respectively, that
  590. interact strongly with the rings and in fact may be the source of the rings.
  591. That is, the rings may be debris from impacts on the satellites.  Amalthea and
  592. Thebe are still small, having mean radii of 86.2 and about 50 km, respectively,
  593. but they are close to Jupiter and may serve as useful reflectors of light from
  594. some of the impacts.  The Galilean satellites (the four moons discovered by
  595. Galileo in 1610), Io, Europa, Ganymede, and Callisto, range in radius from
  596. 1,565 km (Europa) to 2,634 km (Ganymede). (Earth's Moon has a radius of 1,738
  597. km.) They lie at distances of 421,700 km (Io) to 1,883,000 km (Callisto) from
  598. Jupiter. These objects will serve as the primary reflectors of light from the
  599. impacts for those attempting to indirectly observe the actual impacts.  The
  600. outer eight satellites are all tiny (less than 100-km radius) and at large
  601. distances (greater than 11 million km) from Jupiter. They are expected to play
  602. no role in impact studies.
  603.  
  604. 6.  The Final Orbit of Shoemaker-Levy 9
  605.  
  606.     The motion of Comet Shoemaker-Levy 9 can technically be described as
  607. chaotic, which means that calculations based upon the input of comet positions
  608. having very tiny differences (small input errors) causes large differences in
  609. the results of calculations of the subsequent motion and the apparent prior
  610. motion.  Large perturbations caused by successive close approaches to Jupiter
  611. have resulted in each orbit being different in size, shape, and orientation.
  612. The orbits have not been the simple result of a small body in orbit around a
  613. large one but rather the product of a "tug of war" between Jupiter and the Sun,
  614. a classic "three-body problem." Near to Jupiter the planet's gravity has
  615. dominated the motion, but far from Jupiter the Sun is more important.  On July
  616. 16, 1993, at apojove (the point farthest from Jupiter) in the current orbit,
  617. Shoemaker-Levy 9 was almost 1,200 times as far from Jupiter as at the time of
  618. breakup, a distance of 50 million km, equal to a third of the distance of Earth
  619. from the Sun. The comet has been in a closed orbit around Jupiter for many
  620. decades, but that orbit is far from stable.  Figure 8 by Chodas shows what this
  621. orbit will look like as viewed from the Sun at the time of impact.  It is
  622. tipped (inclined) 53 degrees to Jupiter's equator as measured at apojove and is
  623. bent about 20 degrees more near to Jupiter. (A three- body orbit rarely lies in
  624. one plane like the simple two-body orbit.) During this final orbit, after
  625. breakup in July 1992, Shoemaker- Levy 9 was followed carefully from discovery
  626. in March 1993 until the time the comet's angular distance from the Sun became
  627. too small to permit observations.  The last useful astrometric (positional)
  628. observations reported before the fragments were lost in the glare of the Sun
  629. were made on July 11.  The comet was recovered (found again after almost five
  630. months without observations) by Scotti and Tom Gehrels on December 9, with the
  631. comet rising above the horizon a bit more than three hours before the Sun in
  632. the morning sky. (The comet is so faint that it cannot be observed in twilight
  633. or too low on the horizon.) The quality of the predictions for the time of
  634. impact of the individual fragments on Jupiter will depend upon the number of
  635. high-quality astrometric observations of each comet fragment made between
  636. December 1993 and the time of impact.  A week before the impacts the times
  637. should be known at least to plus or minus 10 minutes (with 50% confidence),
  638. improving to perhaps plus or minus 5 minutes a half day before impact.
  639.  
  640. At a fall planetary astronomy meeting (DPS) Jewitt, Luu, and Chen exhibited an
  641. image showing 21 distinct fragments in the Shoemaker- Levy 9 nucleus train.  At
  642. discovery in March, this train was about 50 arc seconds or 162,000 km in length
  643. as projected on the sky.  This angular distance had increased by about 40% (and
  644. the true linear distance by about 50%, since Jupiter was then farther from
  645. Earth) by the time the comet was lost in the glare of the Sun in July. The
  646. spreading is caused mainly by the fact that the piece closest to Jupiter at
  647. breakup was some 9 km closer than the farthest piece (the diameter of the
  648. comet) and therefore entered a faster orbit.  The orbits are all so elongated
  649. that from Earth they appear to be nearly a straight line with the fragments
  650. strung out along it.  The fragment nearest to Jupiter at breakup remains
  651. nearest to it and will be the first to impact.  At this writing, Chodas and
  652. Yeomans predict that the train will reach an apparent length of some 1,286 arc
  653. seconds at the time the first of the fragments enters Jupiter's atmosphere.
  654. The true length of the train will be 4,900,000 km at that time, and it will
  655. require 5.5 days for all of the major fragments to impact.
  656.  
  657. The new data taken following solar conjunction (the closest apparent approach
  658. to the Sun as projected against the sky) more than doubled the length of time
  659. since discovery for which cometary positions were available.  With this new
  660. data, it appears that the impacts will be centered on about July 19.5, a day
  661. and a half earlier than the first predictions.  The approach to Jupiter that
  662. shattered the comet appears to have been even closer than first thought, about
  663. 96,000 km from the planet's center and only 25,000 km above the clouds.  The
  664. revised orbit has also moved the impact points closer to the visible
  665. hemisphere, but unfortunately still on the back side as seen from Earth. The
  666. brightest fragment, of which there is some indication that it itself is
  667. fragmented, will impact on about July 20.78 and contains about 10% of the total
  668. mass of the comet.  The other 20 observed fragments contain more than 80% of
  669. the mass.  The remaining mass is contained in all of the dust and small pieces
  670. in the train, the trails, and the tails.  Most of this mass also will hit
  671. Jupiter over a period of several months beginning about July 10, but it
  672. probably will cause few or no detectable effects.
  673.  
  674. Meanwhile, the dust trails of small debris will continue to spread, as will the
  675. major fragments.  The east-northeast trail is expected to reach a maximum
  676. apparent length of some 70 arc minutes in late June of 1994 and then decrease
  677. again in apparent length with the tip turning around into a "V" shape.  The
  678. west-southwest trail may reach a length of almost 100 arc minutes before
  679. impacts begin.  Only the larger trail material will actually impact Jupiter.
  680. The earliest dust will begin to hit about July 10, and impacts will continue
  681. into October. The smaller dust will be moved into the tail by solar radiation
  682. pressure and will miss the planet completely.
  683.  
  684. If upon further study it is found that the pieces of ShoemakerLevy 9 have
  685. continued to fragment, then predicting impact times will be much more difficult
  686. and the predictions less reliable.  Such continued fragmentation of pieces
  687. already badly fractured is very possible, but fragmentation in the last day or
  688. two, when it is most likely to occur, will have no significant effect on the
  689. predicted times of impact.  The pieces typically separate with a velocity of
  690. less than a meter per second.  There are 86,400 seconds in a day, so even
  691. pieces separating at a full meter per second would be only 86.4 km apart after
  692. one day.  Moving jointly at a velocity which reaches 60 km/s at impact, the
  693. pieces would hit within a few seconds of each other.  The effect of further
  694. splitting upon the impact phenomena would be far greater and is discussed in
  695. the next section.  Figure 9 by David Seal shows the final segment of the comet
  696. fragment's trajectories.  They will impact near a latitude of 44 degrees S and
  697. a longitude 70 degrees past the midnight meridian, still 10 degrees beyond the
  698. limb of Jupiter as seen from Earth, impacting the atmosphere at an angle of
  699. about 42 degrees from vertical.
  700.  
  701. Observing conditions from Earth will not be ideal at the time of the impacts,
  702. since there will be only about two hours of good observing time for large
  703. telescopes at any given site after the sky gets good and dark and before
  704. Jupiter comes too close to the horizon to observe.  At least it will be summer
  705. in the northern hemisphere, and there will be a better chance for good weather
  706. where many observatories are located.  With 21 pieces hitting over a 5.5-day
  707. period, there will be an impact on average about every 6 hours, so any given
  708. site should have about one chance in three of observing at the actual time of
  709. an impact each night.  Since the impacts will be on the back side of Jupiter,
  710. light from the impacts can only be observed by reflection from Jupiter's moons
  711. or perhaps from the rings or the dust comae of the comet fragments.  Those
  712. attempting observations of the effects of the impacts on Jupiter can begin
  713. about 20 minutes after the impacts, when the impact area rotates into view from
  714. Earth.
  715.  
  716. 7.  The Collisions
  717.  
  718.     Exactly what will happen as the fragments of Shoemaker- Levy 9 enter
  719. the atmosphere of Jupiter is very uncertain, though there are many predictions.
  720. If the process were better understood, it would be less interesting.  Certainly
  721. scientists have never observed anything like this event.  There seems to be
  722. complete agreement only that the major fragments will hit Jupiter and that
  723. these collisions will occur on the back side of Jupiter as seen from Earth.
  724.  
  725. Any body moving through an atmosphere is slowed by atmospheric drag, by having
  726. to push the molecules of that atmosphere out of the way.  The kinetic energy
  727. lost by the body is given to the air molecules.  They move a bit faster (become
  728. hotter) and in turn heat the moving body by conduction.  This frictional
  729. process turns energy of mass motion (kinetic energy) into thermal energy
  730. (molecular motion).  The drag increases roughly as the square of the velocity.
  731. In any medium a velocity is finally reached at which the atmospheric molecules
  732. can no longer move out of the way fast enough and they begin to pile up in
  733. front of the moving body.  This is the speed of sound (Mach 1 -- 331.7 m/s or
  734. 741 mph in air on Earth at sea level).  A discontinuity in velocity and
  735. pressure is created which is called a shock wave.  Comet Shoemaker-Levy 9 will
  736. enter Jupiter's atmosphere at about 60 km/s, which would be about 180 times the
  737. speed of sound on Earth (Mach 180) and is about 50 times the speed of sound
  738. even in Jupiter's very light, largely hydrogen atmosphere.
  739.  
  740. At high supersonic velocities (much greater than Mach 1) enough energy is
  741. transferred to an intruding body that it becomes incandescent and molecular
  742. bonds begin to break.  The surface of the solid body becomes a liquid and then
  743. a gas.  The gas atoms begin to lose electrons and become ions.  This mixture of
  744. ions and electrons is called a plasma.  The plasma absorbs radio waves and is
  745. responsible for the communication blackouts that occur when a spacecraft such
  746. as the Space Shuttle reenters Earth's atmosphere.
  747.  
  748. The atmospheric molecules are also dissociated and ionized and contribute to
  749. the plasma.  At higher temperatures, energy transfer by radiation becomes more
  750. important than conduction.  Ultimately the temperatures of the plasma and the
  751. surface of the intruding body are determined largely by the radiation balance.
  752. The temperature may rise to 50,000 K (90,000 degrees F) or more for very large
  753. bodies such as the fragments of Shoemaker-Levy 9 entering Jupiter's atmosphere
  754. at 60 km/s.  The loss of material as gas from the impacting body is called
  755. thermal ablation.  The early manned spacecraft (Mercury, Gemini, and Apollo)
  756. had "ablative heat shields" made of a material having low heat conductivity
  757. (through to the spacecraft) and a high vaporization temperature (strong
  758. molecular bonds).  As this material was lost, as designed, it carried away much
  759. of the orbital energy of the spacecraft reentering Earth's atmosphere.
  760.  
  761. There are other forms of ablation besides thermal ablation, the most important
  762. being loss of solid material in pieces.  In a comet, fragile to begin with and
  763. further weakened and/or fractured by thermal shock and by melting, such
  764. spallation of chips or chunks of material has to be expected.  Turbulence in
  765. the flow of material streaming from the front of the shock wave can be expected
  766. to strip anything that is loose away from the comet and send it streaming back
  767. into the wake.  The effect of increasing temperature, pressure, and vibration
  768. on an intrinsically weak body is to crush it and cause it to flatten and
  769. spread.  Meanwhile the atmosphere is also increasing in density as the comet
  770. penetrates to lower altitudes.  All of these processes occur at an ever
  771. increasing rate (mostly exponentially).
  772.  
  773. On Earth a sizable iron meteoroid or even some relatively low velocity stony
  774. meteoroids can survive all of this and impact the surface, where we collect
  775. them for study and exhibition. (Small bodies traveling in space are called
  776. meteoroids.  The visible phenomena which occur as a meteoroid enters the
  777. atmosphere is called a meteor.  Surviving solid fragments are called
  778. meteorites.  There is no sharp size distinction between meteoroids and
  779. asteroids.  Normally, if the body has been detected telescopically before
  780. entering the atmosphere, it has been called an asteroid.) Many meteoroids
  781. suffer what is called a "terminal explosion" when crushed while still many
  782. kilometers above the ground.
  783.  
  784. This is what happened in Tunguska, Siberia, in 1908.  There a body with a mass
  785. of some 109 kg (2.2 billion lb.) and probably 90 to 190 m in diameter entered
  786. Earth's atmosphere at a low angle with a velocity of less than 15 km/s.  It
  787. exploded at an altitude of perhaps 5- 10 km.  This explosion, equivalent to
  788. 10-20 megatons of TNT, combined with the shock wave generated by the body's
  789. passage through the atmosphere immediately before disruption, leveled some
  790. 2,200 km^2 of Siberian forest.  The Tunguska body had a tensile strength of
  791. some 2 x 10^8 dynes/cm^2, more than 100,000 times the strength of
  792. Shoemaker-Levy 9, but no surviving solid fragments of it (meteorites) have ever
  793. been found.  The fragile Shoemaker-Levy 9 fragments entering an atmosphere of
  794. virtually infinite depth at a much higher velocity will suffer almost immediate
  795. destruction.  The only real question is whether each fragment may break into
  796. several pieces immediately after entry, and therefore exhibit multiple smaller
  797. explosions, or whether it will survive long enough to be crushed, flattened,
  798. and obliterated in one grand explosion and terminal fireball.
  799.  
  800. Scientists have differed in their computations of the depths to which fragments
  801. of given mass will penetrate Jupiter's atmosphere before being completely
  802. destroyed.  If a "terminal explosion" occurs above the clouds, which are
  803. thought to lie at a pressure level of about 0.5 bar or roughly 0.5 Earth
  804. atmosphere (see Section 5), then the explosion will be very bright and easily
  805. observable by means of light reflected from Jupiter's satellites.  Using
  806. ablation coefficients derived from observation of many terrestrial fireballs,
  807. Sekanina predicts that the explosions indeed will occur above the clouds.
  808. Mordecai-Mark Mac Low and Kevin Zahnle have made calculations using an
  809. astrophysical hydrodynamic code (ZEUS) on a supercomputer.  They assume a fluid
  810. body as a reasonable approximation to a comet, since comets have so little
  811. strength, and they predict that the terminal explosions will occur near the
  812. 10-bar level, well below the clouds.  Others have suggested still deeper
  813. penetration, but most calculations indicate that survival to extreme depths is
  814. most unlikely.  The central questions then appear to be whether terrestrial
  815. experience with lesser events can be extrapolated to events of such magnitude
  816. and whether all the essential physics has been included in the supercomputer
  817. calculations.  We can only wait and observe what really happens, letting nature
  818. teach us which predictions were correct.
  819.  
  820. O.K. So an explosion occurs at some depth.  What does that do?  What happens
  821. next?  Sekanina calculates that about 93% of the mass of a 1013-kg fragment
  822. remains one second before the terminal explosion and the velocity is still
  823. almost 60 km/s.  During that last second the energy of perhaps 10,000
  824. 100-megaton bombs is released.  Much of the cometary material will be heated to
  825. many tens of thousands of degrees, vaporized, and ionized along with a
  826. substantial amount of Jupiter's surrounding atmosphere.  The resulting fireball
  827. should balloon upward, even fountaining clear out of the atmosphere, before
  828. falling back and spreading out into Jupiter's atmosphere, imitating in a
  829. non-nuclear fashion some of the atmospheric hydrogen bomb tests of the 1950s.
  830. Once again, the total energy release here will be many thousands of times that
  831. of any hydrogen bomb ever tested, but the energy will be deposited initially
  832. into a much greater volume of Jupiter's atmosphere, so the energy density will
  833. not be so high as in a bomb, and, of course, there will be no gamma rays or
  834. neutrons (nuclear radiation or particles) flying about.  The energy of these
  835. impacts will be beyond any prior experience.  The details of what actually
  836. occurs will be determined by the observations in July 1994, if the observations
  837. are successful.
  838.  
  839. If differential gravitation (tidal forces) should further fragment a piece of
  840. the comet, say an hour or two before impact, the pieces can be expected to hit
  841. within a second of each other.  In one second a point at 44 degrees latitude on
  842. Jupiter will rotate 9 km (5.6 mi.), however, so the pieces would enter the
  843. atmosphere some distance apart.  Smaller pieces will explode at higher
  844. altitudes but not so spectacularly.  If smaller pieces do explode above the
  845. clouds, they may be more "visible" than larger pieces exploding below the
  846. clouds.  It is also possible that implanting somewhat less energy density over
  847. a wider volume of atmosphere might create a more visible change in Jupiter's
  848. atmosphere.  Sekanina notes that pieces smaller than about 1.3-km mean radius
  849. should not be further fragmented by tidal forces unless they were already
  850. weakened by earlier events.
  851.  
  852. One of the more difficult questions to answer is just how bright these events
  853. will be.  Terrestrial fireballs have typically exhibited perhaps 1% luminous
  854. efficiency.  In other words about 1% of the total kinetic energy has been
  855. converted to visible light.  The greater magnitude of the Jupiter impacts may
  856. result in more energy appearing as light, but let's assume the 1% efficiency.
  857. Then Sekanina calculates that a 1013-kg fragment, a reasonable value for the
  858. largest piece, will reach an apparent visual magnitude of -10 during the
  859. terminal explosion.  This is 1,000 times Jupiter's normal brilliance and only
  860. 10 times fainter than the full moon!  Sekanina, of course, calculates that the
  861. explosions will occur above the clouds.  And, remember that, unfortunately,
  862. these impacts will occur on Jupiter's back side as seen from Earth. There will
  863. be no immediate visible effect on the appearance of Jupiter. The light of the
  864. explosion may be seen reflected from the Galilean satellites of Jupiter, if
  865. they are properly placed at the times of impacts.
  866.  
  867. Ganymede, for example, might brighten as much as six times, while Io could
  868. brighten to 35 times its normal brilliance for a second before fading slowly,
  869. if the explosions occur above the clouds.  This would certainly be visible in
  870. an amateur telescope and could conceivably be visible to the naked eye at a
  871. dark mountain site as a tiny flash next to Jupiter at the location of the
  872. normally invisible satellite.  Emphasis on "tiny"!  The brightness of
  873. explosions occurring below the clouds will be attenuated by a factor of at
  874. least 10,000, making them most difficult to observe.  In the best of cases,
  875. these events will be spectacles for the mind to imagine and big telescopes to
  876. observe, not a free fireworks display.
  877.  
  878. The most recent predictions are that at least some of the impacts will occur
  879. very close to the planetary limb, the edge of the planet's disk as seen from
  880. Earth. That edge still has 11 degrees to rotate before it comes into sunlight.
  881. This means that the tops of some of the plumes associated with the rising
  882. fireballs may be just visible, although with a maximum predicted height of
  883. 3,000 km (0.8 arc second as projected on the sky) they will be just "peeking"
  884. over the limb.  The newly repaired Hubble Space Telescope (HST), with its high
  885. resolution and low scattered light, may offer the best chance to see such
  886. plumes.  By the time they reach their maximum altitude the plumes will be
  887. transparent (optically thin) and not nearly so bright as they were near the
  888. clouds.  Some means of blocking out the bright light from Jupiter itself may be
  889. required in order to observe anything.
  890.  
  891. A number of observers plan to look for evidence of plumes and to attempt to
  892. measure their size and brightness.  It also is difficult to predict the effects
  893. of the impacts on Jupiter's atmosphere.  Robert West points out that a
  894. substantial amount of material will be deposited even in the stratosphere of
  895. Jupiter, the part of the atmosphere above the visible clouds where solar
  896. heating stabilizes the atmosphere against convection (vertical motion).  Part
  897. of this material will come directly from small cometary grains, which vaporize
  898. during entry and recondense just as do meteoritic grains in the terrestrial
  899. atmosphere.  Part will come from volatiles (ammonia, water, hydrogen sulfide,
  900. etc.) welling up from the deeper atmosphere as a part of the hot buoyant
  901. fireballs created at the time of the large impact events.  Many
  902. millimeter-sized or larger pieces from the original breakup will also impact at
  903. various times for months and over the entire globe of Jupiter. There is
  904. relatively little mass in these smaller pieces, but it might be sufficient to
  905. create a haze in the stratosphere.
  906.  
  907. James Friedson notes that the fireball created by the terminal explosion will
  908. expand and balloon upward and perhaps spew vaporized comet material and
  909. Jupiter's entrained atmospheric gas to very high altitudes.  The fireball may
  910. carry with it atmospheric gases that are normally to be found only far below
  911. Jupiter's visible clouds.  Hence the impacts may give astronomers an
  912. opportunity to detect gases which have been hitherto hidden from view.  As the
  913. gaseous fireball rises and expands it will cool, with some of the gases it
  914. contains condensing into liquid droplets or small solid particles.  If a
  915. sufficiently large number of particles form, then the clouds they produce may
  916. be visible from Earth-based telescopes after the impact regions rotate onto the
  917. visible side of the planet.  These clouds may provide the clearest indication
  918. of the impact locations after each event.
  919.  
  920. After the particles condense, they will grow in size by colliding and sticking
  921. together to form larger particles, eventually becoming sufficiently large to
  922. "rain" out of the visible part of the atmosphere.  The length of time spent by
  923. the cloud particles at altitudes where they can be seen will depend principally
  924. on their average size; relatively large particles would be visible only for a
  925. few hours after an impact, while small particles could remain visible for
  926. several months.  Unfortunately, it is very difficult to predict what the number
  927. and average size of the particles will be.  A cloud of particles suspended in
  928. the atmosphere for many days may significantly affect the temperature in its
  929. vicinity by changing the amount of sunlight that is absorbed in the area.  Such
  930. a temperature change could be observed from Earth by searching for changes in
  931. the level of Jupiter's emitted infrared light.
  932.  
  933. Glenn Orton notes that large regular fluctuations of atmospheric temperature
  934. and pressure will be created by the shock front of each entering fragment,
  935. somewhat analogous to the ripples created when a pebble is tossed into a pond,
  936. and will travel outward from the impact sites.  These may be observable near
  937. layers of condensed clouds in the same way that regular cloud patterns are seen
  938. on the leeward side of mountains.  Jupiter's atmosphere will be sequentially
  939. raised and lowered, creating a pattern of alternating cloudy areas where
  940. ammonia gas freezes into particles (the same way that water condenses into
  941. cloud droplets in our own atmosphere) and clear areas where the ice particles
  942. warm up and evaporate back into the gas phase.  If such waves are detected,
  943. measurement of their wavelength and speed will allow scientists to determine
  944. certain important physical properties of Jupiter's deep atmospheric structure
  945. that are very difficult to measure in any other way.
  946.  
  947. Whether or not "wave" clouds appear, the ripples spreading from the impact
  948. sites will produce a wave structure in the temperature at a given level that
  949. may be observable in infrared images.  In addition there should be compression
  950. waves, alternate compression and rarefaction in the atmospheric pressure, which
  951. could reflect from and refract within the deeper atmosphere, much as seismic
  952. waves reflect and refract due to density changes inside Earth. Orton suggests
  953. that these waves might be detected "breaking up" in the shallow atmosphere on
  954. the opposite side of the planet from the impacts.  Others suggest the
  955. possibility of measuring the small temperature fluctuations wherever the waves
  956. surface, but this requires the ability to map fluctuations in Jupiter's visible
  957. atmosphere of a few millikelvin (a few thousandths of a degree).  Detection of
  958. any of these waves will require a very fine infrared array detector (a thermal
  959. infrared camera).
  960.  
  961. Between the water and other condensable gases (volatiles) brought with the
  962. comet fragments and those exhumed by the rising fireballs, it is fairly certain
  963. that a cloud of condensed material will form at the location of the impacts
  964. themselves, at high altitudes where such gases seldom, if ever, exist in the
  965. usual course of things.  It may be difficult to differentiate between the color
  966. or brightness of these condensates and any bright material below them in
  967. spectra at most visible wavelengths.  However, at wavelengths where gaseous
  968. methane and hydrogen absorb sunlight, a distinction can easily be made between
  969. particles higher and lower in the atmosphere, because the higher particles will
  970. reflect sunlight better.  Much of the light is absorbed before reaching the
  971. lower particles.  Observing these clouds in gaseous absorption bands will then
  972. tell us how high they lie in the atmosphere, and observations over a period of
  973. time will indicate how fast highaltitude winds are pushing them.  The speed
  974. with which these clouds disappear will be a measure of particle sizes in the
  975. clouds, since large particles settle out much faster than small ones, hours as
  976. compared to days or months.
  977.  
  978. Orton also notes that in the presence of a natural wind shear (a region with
  979. winds having different speeds and/or directions) such as exists commonly across
  980. the face of Jupiter, a long-lived cyclonic feature can be created which is
  981. actually quite stable.  It may gain stability by being fed energy from the wind
  982. shear, in much the same way that the Great Red Spot and other Jovian vortices
  983. are thought to be stabilized.  Such creation of new, large, fixed "storm"
  984. systems is somewhat controversial, but this is a most intriguing possibility!
  985.  
  986.  
  987.  
  988. 8.  How Can These Impacts and Their Consequences be Studied?  Space-Based
  989.  
  990.     There are at least four spacecraft -- Galileo, Ulysses, Voyager 2, and
  991. Clementine -- with some potential to observe the Jovian impacts from different
  992. vantage points than that of Earth. There is also the Hubble Space Telescope
  993. (HST), in orbit around Earth, which will view the event with essentially the
  994. same geometry as any Earth-based telescope.  HST, however, has the advantages
  995. of perfect "seeing" (no atmospheric turbulence), very low scattered light,
  996. ultraviolet sensitivity, and the ability to observe much more than two hours
  997. each day.  HST is scheduled to devote considerable time to the observation of
  998. Shoemaker-Levy 9 before as well as during the impacts.
  999.  
  1000. The Galileo spacecraft has the best vantage point from which to observe the
  1001. impacts.  It is on its way to Jupiter and will be only 246 million km away from
  1002. the planet, less than a third the distance of Earth from Jupiter at that time.
  1003. All of the impacts will occur directly in the field of view of its high
  1004. resolution camera and 20 -25 degrees of Jovian longitude from the limb.  Images
  1005. of Jupiter will be 60 picture elements (pixels) across, although the impact
  1006. site will still be smaller than the resolution of the camera.  Several
  1007. instruments besides the camera have potential use, including an ultraviolet
  1008. spectrometer, a near infrared mapping spectrometer, and a photopolarimeter
  1009. radiometer.  This last suite of instruments could acquire light curves (plots
  1010. of intensity versus time) of the entry and fireball at many wavelengths from
  1011. ultraviolet to thermal infrared (from wavelengths much shorter than visible
  1012. light to much longer).
  1013.  
  1014. Using Galileo to make these observations will be challenging.  The amount of
  1015. data the spacecraft can transmit back to Earth is limited by the capability of
  1016. its low-gain antenna and the time available on the receiving antennas of the
  1017. National Aeronautics and Space Administration's (NASA's) Deep Space Network
  1018. here on Earth. The "commands" that tell the spacecraft what to do must be sent
  1019. up several weeks before the fact and before the impact times are known to
  1020. better than about 20 minutes with 95% certainty.  A later command that simply
  1021. triggers the entire command sequence may be possible.  A lot of data frames can
  1022. be stored in the Galileo tape recorder, but only about 5% of them can be
  1023. transmitted back to Earth, so the trick will be to decide which 5% of the data
  1024. are likely to include the impacts and to have the greatest scientific value,
  1025. without being able to look at any of them first!  After the fact, the impact
  1026. times should be known quite accurately.  This knowledge can help to make the
  1027. decisions about which data to return to Earth.
  1028.  
  1029. The Ulysses spacecraft was designed for solar study and used a gravity assist
  1030. from flying close to Jupiter to change its inclination (the tilt of its path
  1031. relative to the plane of the planets) so it can fly over the poles of the Sun.
  1032. In July 1994 it will be about 378 million km south of the plane of the planets
  1033. (the ecliptic) and able to "look" over the south pole of Jupiter directly at
  1034. the impact sites.  Unfortunately, Ulysses has no camera as a part of its
  1035. instrument complement.  It does have an extremely sensitive receiver of radio
  1036. frequency signals from 1 to 1000 kHz (kilohertz, or kilocycles in older
  1037. terminology) called URAP (Unified Radio and Plasma wave experiment).  URAP may
  1038. be able to detect thermal radiation from the impact fireballs once they rise
  1039. sufficiently high above interference from the Jovian ionosphere (upper
  1040. atmosphere) and to measure a precise time history of their rapid cooling.
  1041.  
  1042. The Voyager 2 spacecraft is now far beyond Neptune (its last object of study
  1043. back in 1989 after visiting Jupiter in 1979, Saturn in 1981, and Uranus in
  1044. 1986) and is about 6.4 billion km from the Sun. It can look directly back at
  1045. the dark side of Jupiter, but the whole of Jupiter is now only two picture
  1046. elements in diameter as seen by its high-resolution camera, if that instrument
  1047. were to be used.  In fact the camera has been shut down for several years, and
  1048. the engineers who knew how to control it have new jobs or are retired.  It
  1049. would be very expensive to take the camera "out of mothballs" and probably of
  1050. limited scientific value.  Voyager does have an ultraviolet spectrometer which
  1051. is still taking data, and it will probably be used to acquire ultraviolet light
  1052. curves (brightness versus time) of the impact phenomena.  The possibility of
  1053. using one or two other instruments is being considered, though useful results
  1054. from them seem less likely.
  1055.  
  1056. A new small spacecraft called Clementine was launched on January 25 of this
  1057. year, intended to orbit the Moon and then proceed on to study the asteroid
  1058. Geographos. Clementine has good imaging capabilities, but its viewpoint will
  1059. not be much different from Earth's. The impact sites will still be just over
  1060. the limb, and Clementine's resolution will be only a few picture elements on
  1061. Jupiter. Since the spacecraft will be in cruise mode at the time, on its way to
  1062. Geographos and not terribly busy, it seems probable that attempts will be made
  1063. to observe "blips" of light on the limb of Jupiter, from the entering fragments
  1064. or the fireballs or perhaps light scattered from cometary material (coma) that
  1065. has not yet entered the atmosphere.  Useful light curves could result.
  1066. Ground-Based
  1067.  
  1068.     Many large telescopes will be available on Earth with which to observe
  1069. the phenomena associated with the ShoemakerLevy 9 impacts on Jupiter in
  1070. visible, infrared, and radio wavelengths.  Small portable telescopes can fill
  1071. in gaps in existing observatory locations for some purposes.  Imaging,
  1072. photometry, spectroscopy, and radiometry will certainly be carried out using a
  1073. multitude of detectors.  Many of these attempts will fail, but some should
  1074. succeed.
  1075.  
  1076. Apart from the obvious difficulty that the impacts will occur on the back side
  1077. of Jupiter as seen from Earth, the biggest problem is that Jupiter in July can
  1078. only be observed usefully for about two hours per night from any given site.
  1079. Earlier the sky is still too bright and later the planet is too close to the
  1080. horizon.  Therefore, to keep Jupiter under continuous surveillance would
  1081. require a dozen observatories equally spaced in longitude clear around the
  1082. globe.  A dozen observatories is feasible, but equal spacing is not.  There
  1083. will be gaps in the coverage, notably in the Pacific Ocean, where Mauna Kea,
  1084. Hawaii, is the only astronomical bastion.
  1085.  
  1086. Measuring the light curve of the entering fragments and the post- explosion
  1087. fireball can be done only by measuring the light reflected from something else,
  1088. one of Jupiter's satellites or perhaps the dust coma accompanying the fragment.
  1089. That dust coma could still be fairly dense out to distances of 10,000 km or
  1090. more around each fragment.  Moving at 60 km/s, it will be almost three minutes
  1091. before all of the dust also impacts Jupiter. Proper interpretation of such
  1092. observations will be difficult, however, because the area of the "reflector,"
  1093. the coma dust particles, will be changing as the observations are made.
  1094. Another complication is the brightness of Jupiter itself, which will have to be
  1095. masked to the greatest extent possible.  Observations in visible light
  1096. reflected from the satellites will be relatively straightforward and can be
  1097. done with small telescopes and simple photometers or imaging devices.  This
  1098. equipment is small enough that it can be transported to appropriate sites.
  1099.  
  1100. Spectroscopy of the entry phenomena via reflected light from one of the
  1101. Galilean satellites could be used to determine the composition of the comet and
  1102. the physical conditions in the fireball, if the terminal explosions occur above
  1103. Jupiter's clouds.  If the explosion occurs below the clouds, there will be too
  1104. little light to do useful spectroscopy with even the largest telescopes.
  1105.  
  1106. The impact zone on Jupiter will rotate into sight from Earth about 20 minutes
  1107. after each impact, though quite foreshortened as initially viewed.  Extensive
  1108. studies of the zone and the area around it can be made at that time.  Such
  1109. studies surely will include imaging, infrared temperature measurements, and
  1110. spectroscopy using many of the largest telescopes on Earth. These studies will
  1111. continue for some weeks, if there is any evidence of changes in Jupiter's
  1112. atmosphere and cloud structure as a result of the impacts.
  1113.  
  1114. For example, astronomers will use spectrometers to look for evidence of
  1115. chemical changes in Jupiter's atmosphere.  Some of the species observed might
  1116. be those only present in the deep atmosphere and carried up by the fireball (if
  1117. the explosion occurs deep enough).  Others will be the result of changes to the
  1118. chemistry of the upper atmosphere, taking place because of the energy deposited
  1119. there by the impacts or because of the additional particulates.
  1120.  
  1121. The faint rings of Jupiter, mentioned in Section 5, can be usefully observed
  1122. from the ground at infrared wavelengths.  Shoemaker-Levy 9 debris might bring
  1123. in new ring material by hitting the two small satellites embedded in the rings
  1124. (Metis and Adrastea). The rings surely will be monitored for some time using
  1125. infrared imaging array detectors, which are sensitive to wavelengths more than
  1126. eight times as long as red visible light.
  1127.  
  1128. In Section 5, note was made of the Jovian magnetosphere, which makes its
  1129. presence known at radio wavelengths, and the Io torus of various ions and
  1130. atoms, which can be mapped spectroscopically.  Either or both of these could be
  1131. affected sufficiently by the intruding dust from Shoemaker-Levy 9 to be
  1132. detectably changed.  Radio telescopes will surely monitor the former and
  1133. optical telescopes the latter for weeks or months looking for changes.
  1134. Jupiter's intense electromagnetic environment is responsible for massive
  1135. auroral emission near the planet's poles and less intense phenomena across the
  1136. face of the planet.  These may also be disrupted by the collisions and/or the
  1137. dust "invasion," making auroral monitoring a useful observing technique.
  1138.  
  1139. In summary, the phenomena directly associated with each impact from entry trail
  1140. to rising fireball will last perhaps three minutes.  The fallback of ejecta
  1141. over a radius of a few thousand kilometers will last for about three hours.
  1142. Seismic waves from each impact might be detectable for a day, and atmospheric
  1143. waves for several days.  Vortices and atmospheric hazes could conceivably
  1144. persist for weeks.  New material injected into the Jovian ring system might be
  1145. detectable for years.  Changes in the magnetosphere and/or the Io torus might
  1146. also persist for some weeks or months.  There is the potential to keep
  1147. planetary observers busy for a long time!
  1148.  
  1149.  
  1150. 9.  What Do Scientists Expect to Learn from All of This?
  1151.  
  1152.     To give a simple and succinct answer to the title of this section,
  1153. scientists hope to learn more about comets, more about Jupiter, and more about
  1154. the physics of high velocity impacts into a planetary atmosphere.  Something
  1155. has already been learned about comets from the behavior of Shoemaker-Levy 9
  1156. during its breakup, as discussed in Section 4.  Bits and pieces of what
  1157. everyone hopes will be learned have been noted in Sections 5 through 8.  A more
  1158. complete summary follows.
  1159.  
  1160. If the fragments explode above the clouds, there should be enough light
  1161. reflected from various Jovian satellites to take spectra of the explosions.
  1162. Since the atmosphere of Jupiter contains very few heavier elements to
  1163. contaminate the spectra, they could give a great deal of information about the
  1164. composition of cometary solids.  If the fragments explode below the clouds,
  1165. then spectroscopy must wait until the impact sites rotate into view from Earth.
  1166. By that time everything will have cooled a great deal, and the cometary
  1167. component will have been diluted by mixing with the Jovian atmosphere, making
  1168. such study difficult.  In that case the Jovian material itself may prove of
  1169. interest, with spectroscopic study giving new knowledge of Jupiter's deeper
  1170. atmospheric composition.
  1171.  
  1172. It seems somewhat more certain that new knowledge of Jupiter's atmosphere will
  1173. be obtained, even if predictions differ as to exactly what that new knowledge
  1174. will be.  There is nearly unanimous agreement that the impacts will cause
  1175. observable changes in Jupiter, at least locally at the impact sites.  These may
  1176. include changes in the visible appearance of the clouds, locally or more
  1177. widely, measurable temperature fluctuations, again locally or more widely,
  1178. composition changes caused by material brought up from below the clouds (if the
  1179. fragments penetrate that deeply), and/or chemical reactions brought about by
  1180. the thermal pulse and the introduction of cometary material.  Any dynamic
  1181. processes such as these will give a new and better understanding of the
  1182. structure of Jupiter's atmosphere, perhaps of its motion as well as its static
  1183. structure.
  1184.  
  1185. If sufficient material impacts Jupiter's rings or especially the ring
  1186. satellites, then there should be local brightening caused by the increase in
  1187. reflecting area due to the introduction of new material.  These new ring
  1188. particles will each take up their own orbits around Jupiter, gradually
  1189. spreading out and causing local brightening followed by slow fading into the
  1190. general ring background.  Careful mapping of that brightening and fading will
  1191. reveal a great deal about the structure and dynamics of the rings.  Many
  1192. believe that impacts on those small inner satellites are the source of the
  1193. rings, the reason for their existence.  Enhancement of the rings from
  1194. Shoemaker-Levy 9 impacts would be strong confirmation of this idea.  Similarly,
  1195. the interaction of cometary dust with the magnetosphere and with the Io torus
  1196. will be quite informative, if the dust density proves sufficient to cause
  1197. observable effects.  Radio telescopes will be active in the magnetospheric
  1198. studies, along with optical spectroscopy of the ions and atoms in the torus.
  1199.  
  1200. Last, but far from least, the physics of the impact phenomena themselves,
  1201. determined from the reflected light curves and from spectra, will be most
  1202. instructive.  Note the inability of scientists to agree on the level of
  1203. Jupiter's atmosphere at which the terminal explosion will occur. (A few even
  1204. believe that there will be no terminal explosion or that it will occur so deep
  1205. in that atmosphere as to be completely unobservable.) Entry phenomena on this
  1206. scale cannot be reproduced, even by nuclear fusion explosions, and have never
  1207. before been observed.  Better knowledge of the phenomena may allow scientists
  1208. to predict more accurately just how serious could be the results of future
  1209. impacts of various-sized bodies on Earth, as well as to determine their effects
  1210. in the past as registered by the fossil record.
  1211.  
  1212.  
  1213. Appendix A
  1214.  
  1215. Comparative Tables
  1216.  
  1217. Table 1. Energy comparisons.*
  1218.         Energy, J    Energy, Relative
  1219.  
  1220. Two 3,500-lb. cars colliding head-on at 55 mph
  1221.         9.6 x 10^5    1
  1222.  
  1223. Explosion of 1 U.S. ton of TNT
  1224.         4.2 x 10^9    4,271
  1225.  
  1226. Explosion of a 20-megaton fusion bomb
  1227.         8.4 x 10^16    87,500,000,000
  1228.  
  1229. Total U.S. annual electric power production, 1990
  1230.         1 x 1019    10,400,000,000,000
  1231.  
  1232. Energy released in last second of 10^13 kg fragment of Shoemaker-
  1233. Levy 9
  1234.     ~ 9 x 10^21    9,375,000,000,000,000
  1235.  
  1236. Total energy released by 1013-kg fragment of Shoemaker-Levy 9 
  1237. 1.8 x 10^22    18,750,000,000,000,000
  1238.  
  1239. Total sunlight on Jupiter for one day
  1240.         6.6 x 10^22    68,750,000,000,000,000
  1241.  
  1242. *1 BTU = 252 (small) calories = 1,055 J = 2.93  x 10-4 kWh.
  1243.  
  1244.  
  1245.  
  1246. Table 2. Power comparisons.*
  1247.  
  1248. Power Producer    Power, MW    Power, 
  1249.  
  1250. Relative
  1251.  
  1252. Hoover Dam    1,345        1
  1253.  
  1254. Grand Coulee Dam, final plant
  1255.         9,700        7.2
  1256.  
  1257. Annual average, sum of all U.S. power plants 
  1258. 320,000    238
  1259.  
  1260. Average, impact of 1013-kg fragment of Shoemaker-Levy 
  1261. 9, final sec       ~ 9 x 10^15    6,700,000,000,000
  1262.  
  1263. Sun        3.8 x 1020
  1264.     280,000,000,000,000,000
  1265.  
  1266. *1 horsepower = 745.7 W = 7.457  x 10-4 MW.
  1267.  
  1268.  
  1269. Table 3. Size comparisons.*
  1270.  
  1271. Object              Radius, km        Volume, km^3
  1272.  
  1273. Jupiter            71,350 (Equatorial)        1.4 x 10^15
  1274. 67,310 (Polar)
  1275.  
  1276. Earth            6,378 (Equatorial)        1.1 x 10^12
  1277.             6,357 (Polar)
  1278.  
  1279. Comet Shoemaker-Levy 9  4.5 (Equivalent sphere)    382
  1280.  
  1281. Comet Halley        7.65 x 3.60 x 3.61        365
  1282. *1 mi. = 1.609 km
  1283.  
  1284.  
  1285. Table 4. Brightness comparisons.
  1286.  
  1287. Object  Magnitude Vo(V Mag. at Opposition)    
  1288.  
  1289. Relative Brightness
  1290.  
  1291. Largest fragment of Shoemaker-Levy 9 during last second
  1292.     ~ -10            
  1293.     1,000
  1294.  
  1295. Jupiter   -2.5            
  1296.     1
  1297.  
  1298. Ganymede   4.6            
  1299.     1/692
  1300.  
  1301. Io       5.0            
  1302.     1/1,000
  1303.  
  1304.  
  1305. Largest fragment of Shoemaker-Levy 9 as viewed 
  1306. today
  1307.        23.7            
  1308.     1/30,000,000,000
  1309.  
  1310.  
  1311. Appendix B
  1312.  
  1313. The K-T Event
  1314.  
  1315.     Sixty-five million years ago about 70% of all species then living on
  1316. Earth disappeared within a very short period.  The disappearances included the
  1317. last of the great dinosaurs.  Paleontologists speculated and theorized for many
  1318. years about what could have caused this "mass extinction," known as the K-T
  1319. event (Cretaceous-Tertiary Mass Extinction event).  Then in 1980 Alvarez,
  1320. Alvarez, Asaro, and Michel reported their discovery that the peculiar
  1321. sedimentary clay layer that was laid down at the time of the extinction showed
  1322. an enormous amount of the rare element iridium.  First seen in the layer near
  1323. Gubbio, Italy, the same enhancement was soon discovered to be worldwide in that
  1324. one particular 1-cm (0.4- in.) layer, both on land and at sea.  The Alvarez
  1325. team suggested that the enhancement was the product of a huge asteroid impact.
  1326.  
  1327. On Earth most of the iridium and a number of other rare elements such as
  1328. platinum, osmium, ruthenium, rhodium, and palladium are believed to have been
  1329. carried down into Earth's core, along with much of the iron, when Earth was
  1330. largely molten.  Primitive "chondritic" meteorites (and presumably their
  1331. asteroidal parents) still have the primordial solar system abundances of these
  1332. elements.  A chondritic asteroid 10 km (6 mi.) in diameter would contain enough
  1333. iridium to account for the worldwide clay layer enhancement.  This enhancement
  1334. appears to hold for the other elements mentioned as well.
  1335.  
  1336. Since the original discovery many other pieces of evidence have come to light
  1337. that strongly support the impact theory.  The high temperatures generated by
  1338. the impact would have caused enormous fires, and indeed soot is found in the
  1339. boundary clays.  A physically altered form of the mineral quartz that can only
  1340. be formed by the very high pressures associated with impacts has been found in
  1341. the K-T layer.
  1342.  
  1343. Geologists who preferred other explanations for the K-T event said, "show us
  1344. the crater." In 1990 a cosmochemist named Alan Hildebrand became aware of
  1345. geophysical data taken 10 years earlier by geophysicists looking for oil in the
  1346. Yucatn region of Mexico. There a 180-km (112-mi.) diameter ring structure
  1347. called "Chicxulub" seemed to fit what would be expected from a
  1348. 65million-year-old impact, and further studies have largely served to confirm
  1349. its impact origin.  The Chicxulub crater has been age dated (by the 40Ar/39Ar
  1350. method) at 65 million years!  Such an impact would cause enormous tidal waves,
  1351. and evidence of just such waves at about that time has been found all around
  1352. the Gulf of Mexico. Similarly, glassy debris of appropriate age called tektites
  1353. (and their decomposition products), which are produced by large impacts, have
  1354. been found all around the Gulf.
  1355.  
  1356. One can never prove that an asteroid impact "killed the dinosaurs." Many
  1357. species of dinosaurs (and smaller flora and fauna) had in fact died out over
  1358. the millions of years preceding the K-T event.  The impact of a 10-km asteroid
  1359. would most certainly have been an enormous insult to life on Earth. Locally
  1360. there would have been enormous shock wave heating and fires, a tremendous
  1361. earthquake, hurricane winds, and trillions of tons of debris thrown everywhere.
  1362. It would have created months of darkness and cooler temperatures globally.
  1363. There would have been concentrated nitric acid rains worldwide.  Sulfuric acid
  1364. aerosols may have cooled Earth for years.  Life certainly could not have been
  1365. easy for those species which did survive.  Fortunately such impacts occur only
  1366. about once every hundred million years.  Appendix C
  1367.  
  1368. The Probability of Collisions with Earth
  1369.  
  1370.     Most bodies in the solar system with a visible solid surface exhibit
  1371. craters.  On Earth we see very few because geological processes such as
  1372. weathering and erosion soon destroy the obvious evidence.  On bodies with no
  1373. atmosphere, such as Mercury or the Moon, craters are everywhere.  Without going
  1374. into detail, there is strong evidence of a period of intense cratering in the
  1375. solar system that ended about 3.9 billion years ago.  Since that time cratering
  1376. appears to have continued at a much slower and fairly uniform rate.  The cause
  1377. of the craters is impacts by comets and asteroids.  Most asteroids follow
  1378. sensibly circular orbits between the planets Mars and Jupiter, but all of these
  1379. asteroids are perturbed, occasionally by each other and more regularly and
  1380. dramatically by Jupiter. As a result some find themselves in orbits that cross
  1381. that of Mars or even Earth. Comets on the other hand, as noted in Section 2,
  1382. follow highly elongated orbits that often come close to Earth or other major
  1383. bodies to begin with.  These orbits are greatly affected if they come anywhere
  1384. near Jupiter. Over the eons every moon and planet finds itself in the wrong
  1385. place in its orbit at the wrong time, many times, and suffers the insult of a
  1386. major impact.
  1387.  
  1388. Earth's atmosphere protects us from the multitude of small debris, the size of
  1389. grains of sand or pebbles, thousands of which pelt our planet every day.  The
  1390. meteors in our night sky are visible evidence of bodies of this type burning up
  1391. high in the atmosphere.  In fact, up to a diameter of about 10 m (33 ft.) most
  1392. stony meteoroids are destroyed in the atmosphere in a terminal explosion.
  1393. Obviously some fragments do reach the ground, because we have stony meteorites
  1394. in our museums.  Such falls are known to cause property damage from time to
  1395. time.  On October 9, 1992, a fireball was seen streaking across the sky all the
  1396. way from Kentucky to New York. A 27-lb. stony meteorite (chondrite) from the
  1397. fireball fell in Peekskill, New York, punching a hole in the rear end of an
  1398. automobile parked in a driveway and coming to rest in a shallow depression
  1399. beneath it.  Falls into a Connecticut dining room and an Alabama bedroom are
  1400. other well documented incursions in this century.  A 10-m body typically has
  1401. the kinetic energy of about five Hiroshima fission bombs, however, and the
  1402. shock wave it creates can do considerable damage even if nothing but
  1403. comparatively small fragments survive to reach the ground.
  1404.  
  1405. Many fragments of a 10-m iron meteoroid will reach the ground.  The only well
  1406. studied example of such a fall in recent times took place in the Sikhote-Alin
  1407. Mountains of eastern Siberia on February 12, 1947.  About 150 U.S. tons of
  1408. fragments reached the ground, the largest intact fragment weighing 3,839 lb.
  1409. The fragments covered an area of about 1 x 2 km (0.6 x 1.2 mi.), within which
  1410. there were 102 craters greater than 1 m in diameter, the largest of them 26.5 m
  1411. (87 ft), and about 100 more smaller craters.  If this small iron meteorite had
  1412. landed in a city, it obviously would have created quite a stir.  The effect of
  1413. the larger pieces would be comparable to having a supersonic auto suddenly drop
  1414. in!  Such an event occurs about once per decade somewhere on Earth, but most of
  1415. them are never recorded, occurring at sea or in some remote region such as
  1416. Antarctica. It is a fact that there is no record in modern times of any person
  1417. being killed by a meteorite.
  1418.  
  1419. It is the falls larger than 10 m that start to become really worrisome.  The
  1420. 1908 Tunguska event described in Section 7 was a stony meteorite in the 100-m
  1421. class.  The famous meteor crater in northern Arizona, some 4,000 ft. in
  1422. diameter and 600 ft. deep, was created 50,000 years ago by a nickel-iron
  1423. meteorite perhaps 60 m in diameter.  It probably survived nearly intact until
  1424. impact, at which time it was pulverized and largely vaporized as its 6- 7 x
  1425. 10^16 joules of kinetic energy were rapidly dissipated.  An explosion
  1426. equivalent to some 15 million tons of TNT creates quite a bang!  Falls of this
  1427. class occur once or twice every 1,000 years.  There are now over 100 ring-like
  1428. structures on Earth recognized as definite impact craters.  Most of them are
  1429. not obviously craters, their identity masked by heavy erosion over the
  1430. centuries, but the minerals and shocked rocks present make it clear that impact
  1431. was their cause.  The Ries Crater in Bavaria is a lush green basin some 25 km
  1432. (15 mi.) in diameter with the city of Nrdlingen in the middle.  Fifteen million
  1433. years ago a 1,500-m (5,000-ft.) asteroid or comet hit there, excavating more
  1434. than a trillion tons of material and scattering it all over central Europe.
  1435. This sort of thing happens about once every million years or so.  Another step
  1436. upward in size takes us to Chicxulub, described in detail in Appendix B, an
  1437. event that occurs once in 50-100 million years.  Chicxulub is the largest
  1438. crater known which seems definitely to have an impact origin, but there are a
  1439. few ring-like structures that are 2-3 times larger yet about which geologists
  1440. are "suspicious."
  1441.  
  1442. There are now more than 150 asteroids known that come nearer to the Sun than
  1443. the outermost point of Earth's orbit.  These range in diameter from a few
  1444. meters to about 8 km.  A working group chaired by D. Morrison estimates that
  1445. there are some 2,100 such asteroids larger than 1 km and perhaps 320,000 larger
  1446. than 100 m, the size that caused the Tunguska event and the Arizona meteor
  1447. crater.  An impact by one of the latter in the wrong place would be a great
  1448. catastrophe, but it would not threaten civilization.  An impact by an 8-km
  1449. object is in the mass extinction category.  In addition there are many comets
  1450. in the 1-10-km class, 15 of them in shortperiod orbits that pass inside Earth's
  1451. orbit, and an unknown number of long-period comets.  Virtually any short-period
  1452. comet among the 100 or so not currently coming near to Earth could become
  1453. dangerous after a close passage by Jupiter.
  1454.  
  1455. This all sounds pretty scary.  However, as noted earlier, no human in the past
  1456. 1,000 years is known to have been killed by a meteorite or by the effects of
  1457. one impacting. (There are ancient Chinese records of such deaths.) An
  1458. individual's chance of being killed by a meteorite is ridiculously small as
  1459. compared to death by lightning, volcanism, earthquake, or hurricane, to say
  1460. nothing of the multitude of human- aided events.  That small probability was
  1461. unlikely to have been any consolation to the dinosaurs, however.  For this
  1462. reason astronomers today are conducting ever-increasing searches for all of the
  1463. larger asteroids that could become dangerous.  Once discovered, with a few
  1464. years of warning, there is every reason to believe that a space mission could
  1465. be mounted "to shove them aside."
  1466.  
  1467. Acknowledgments:
  1468.  
  1469.     This booklet is the product of many scientists, all of whom have
  1470. cooperated enthusiastically to bring their best information about this exciting
  1471. event to a wider audience.  They have contributed paragraphs, words, diagrams,
  1472. slides, and preprints as well as their critiques to this document, which
  1473. attempts to present an event that no one is quite sure how to describe.
  1474. Sincere thanks go to Mike A'Hearn, Paul Chodas, Gil Clark, Janet Edberg, Steve
  1475. Edberg, Jim Friedson, Mo Geller, Martha Hanner, Cliff Heindl, David Levy,
  1476. Mordecai-Mark Mac Low, Al Metzger, Marcia Neugebauer, Glenn Orton, Elizabeth
  1477. Roettger, Jim Scotti, David Seal, Zdenek Sekanina, Anita Sohus, Harold Weaver,
  1478. Paul Weissman, Bob West, and Don Yeomans -- and to those who might have been
  1479. omitted.  The choice of material and the faults and flaws in the document
  1480. obviously remain the responsibility of the author alone.
  1481.  
  1482. The writing and production of this material was made possible through the
  1483. support of Jrgen Rahe and Joe Boyce, Code SL, NASA, and of Dan McCleese, Jet
  1484. Propulsion Laboratory (JPL).  For help in the layout and production of this
  1485. booklet, on a very tight schedule, additional thanks go to the Design Services
  1486. Group of the JPL Documentation Section.
  1487.  
  1488. All comments should be addressed to the author:
  1489. Ray L. Newburn, Jr.
  1490. Jet Propulsion Laboratory, MS 169-237
  1491. 4800 Oak Grove Dr.
  1492. Pasadena, CA 91109-8099
  1493.