Космічні камені, що влітають в атмосферу Землі, не просто «згорають» у небі. Аналіз відео та фото 75 задокументованих падінь метеоритів показав, що їхня доля визначається насамперед плавленням і бурхливою фрагментацією, а не просто випаровуванням. Дослідники з Інституту SETI описали сім послідовних фаз, через які проходять ці об’єкти, і пояснили, чому метеорити розсіюються на землі смугами та як вибухають небезпечні астероїди в атмосфері. Про роботу розповідає ScienceDaily.
Результати опубліковані в журналі Meteoritics & Planetary Science. Команда вивчала світлові криві та зображення падінь, щоб простежити, як змінюється яскравість і форма вогняних куль на різних висотах.
Від першого спалаху до вогняної кулі
На початку, у Фазі 1, високо над Землею повітря стає достатньо щільним, щоб перед космічним каменем утворилася ударна хвиля. При зіткненні з молекулами повітря нагріваються і поверхня каменя, і навколишній газ, які починають світитися. Так з’являється знайома смуга світла — метеор або «падаюча зірка».
У Фазі 2 метеор входить у дедалі щільніші шари атмосфери, і його яскравість посилюється. Деякі об’єкти демонструють періодичні зміни блиску, що дозволяє оцінити швидкість їхнього обертання. Для найшвидших із досліджених повний оберт тривав від 0,5 до 5 секунд.
До Фази 3 метеор стає дуже яскравим і перетворюється на вогняну кулю. Тут головну роль у втраті маси відіграє вже не випаровування, а плавлення. Інтенсивний потік повітря здирає з поверхні розплавлений шар, утворюючи краплі, які продовжують випаровуватися вже окремо від основного тіла.
У Фазі 4, приблизно на висоті 60 км, процес плавлення виходить на відносно стабільний режим. Яскравість вогняної кулі або майже не змінюється, або зростає рівномірно. За оцінками дослідників, лише плавлення може забрати до 40% початкової маси каменя.
Чому метеори починають руйнуватися так рано
Коли вогняна куля опускається нижче, у щільніші шари атмосфери, зростаючий тиск повітря починає розколювати камінь. Так починається Фаза 5 — фрагментація. Від основного тіла відриваються шматки, що часто супроводжується серією спалахів.
Неочікуваним виявилося те, наскільки рано стартує це руйнування. З’ясувалося, що камені починають тріскатися, коли тиск на їхню передню частину досягає лише близько однієї п’ятої міцності, яку вимірюють у метеоритів, знайдених на Землі. На думку авторів, нагрів під час входу в атмосферу разом із тріщинами від попередніх космічних зіткнень послаблює структуру настільки, що вона ламається задовго до досягнення «лабораторної» межі міцності.
У цій фазі залишок каменя швидко зменшується в розмірах і різко сповільнюється. Чим сильніше він фрагментується, тим швидше втрачає швидкість. Дослідники змогли пов’язати це гальмування через фрагментацію з попередніми математичними моделями, які враховували лише абляцію — втрату маси через плавлення й випаровування.
Форма того, що лишається від каменя, також впливає на те, де впадуть дрібніші уламки. Якщо задня частина основного тіла зберігається, за ним утворюється зона зниженого тиску, куди «затягує» менші фрагменти. У такому разі дрібні метеорити падають на землю вузькою смугою.
Остаточний вибух і шлях до поверхні
Фаза 6 починається, коли руйнується задня частина головного уламка. Цей останній великий розрив супроводжується яскравим спалахом і розльотом фрагментів із більшими відносними швидкостями. Оскільки до цього моменту метеор уже суттєво загальмував, фінальні спалахи зазвичай виглядають червоними, на відміну від яскраво-зелених відтінків, які часто спостерігають на ранніх етапах падіння.
Саме тоді більші уламки, масою понад приблизно 20 грамів, розлітаються ширше. Багато з них, за спостереженнями минулих падінь, походять із ділянок поблизу поверхні початкового каменя, які раніше були його «задньою стороною».
Фрагменти, що зрештою досягають поверхні, починають як відносно великі шматки. Перед приземленням вони переживають додаткове плавлення та подальше подрібнення, одночасно втрачаючи швидкість. У Фазі 7 ці процеси тривають, доки уламки не загальмують настільки, що перестають світитися. Після припинення плавлення на їхній поверхні залишається тонка темна оболонка — ф’юзійна кора. Далі уламки вже невидимо для ока падають крізь атмосферу, а вітри можуть відхиляти їх від початкової траєкторії, перш ніж вони досягнуть землі як метеорити.
Що це говорить про небезпечні астероїди
У дослідженні розглядалися падіння метеоритів різних типів космічних порід. Порівнюючи їхню поведінку, вчені визначили, на яких висотах для різних матеріалів настає кожна з семи фаз. Це не лише пояснює, як дрібні метеорити досягають поверхні, а й дає підказки щодо поведінки значно більших астероїдів — від розмірів автомобіля до цілих кварталів, які можуть спричиняти потужні повітряні вибухи.
Вимірюючи, як тверді кам’яні тіла гальмують і руйнуються під час входу в атмосферу, науковці краще розуміють механізми таких вибухів. За словами авторів, астероїди до кількох десятків метрів у діаметрі зазвичай є суцільними каменями, а не «гравійними купами», оскільки обертаються швидше за великі уламкові об’єкти.
Саме так, за їхньою оцінкою, поводився й 20-метровий астероїд, що спричинив повітряний вибух над Челябінськом у 2013 році: він пройшов ті самі сім фаз, які тепер описані для менших метеоритів. Це робить нову схему корисним інструментом для оцінки ризиків від майбутніх небезпечних зближень із астероїдами.