Содержание
Космический гром
Олег Макаров
«Популярная механика» №4, 2013
До сих пор не известно ни одного подтвержденного случая убийства человека метеоритом. И вместе с тем даже небольшое небесное тело, вторгшееся, к нашему несчастью, в атмосферу Земли, обладает колоссальным разрушительным потенциалом, сопоставимым с ядерными боеприпасами. Иногда, как показали недавние события, гости с неба способны застать нас врасплох.
Пролетевший над Челябинском и наделавший в прямом и переносном смысле столько шума болид поразил всех своим невероятным свечением и ударной волной, которая крошила стекла, выносила ворота и срывала облицовочные панели со стен. О последствиях писалось много, гораздо меньше говорилось о сути этого явления.
Чтобы более детально разобраться в процессах, происходящих с малыми небесными телами, встретившими на своем пути планету Земля, «ПМ» обратилась в Институт динамики геосфер РАН, где давно занимаются изучением и математическим моделированием движения метеороидов, то есть небесных тел, входящих в атмосферу Земли.
И вот что нам удалось узнать.
Выбитые из пояса
Тела, подобные челябинскому, происходят из главного пояса астероидов, который находится между орбитами Марса и Юпитера. Это к Земле не так близко, но порой пояс астероидов сотрясают катаклизмы: более крупные объекты в результате столкновений распадаются на более мелкие, и некоторые из обломков переходят в разряд околоземных космических тел — теперь их орбиты пересекают орбиту нашей планеты.
Иногда небесные камни вышибаются из пояса возмущениями, вызванными большими планетами. Как показывают данные по траектории челябинского метеорита, он представлял так называемую группу Аполлона — группу малых небесных тел, двигающихся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, которые пересекают орбиту Земли, причем их перигелий (то есть ближайшее расстояние от Солнца) меньше перигелия земной орбиты.
Поскольку речь идет чаще всего об обломках, эти объекты имеют неправильную форму. Большинство из них сложены из каменной породы, носящей название «хондрит».
Это имя дано ей из-за хондр — сферических или эллиптических вкраплений диаметром около 1 мм (реже — больше), окруженных обломочной или мелкокристаллической матрицей. Хондриты бывают разных типов, но также среди метеороидов встречаются экземпляры и из железа.
Интересно, что металлических тел меньше, не более 5% от общего числа, однако среди найденных метеоритов и их обломков железо безусловно преобладает. Причины просты: во-первых, хондриты визуально трудноотличимы от обычных земных камней и обнаружить их тяжело, а во-вторых, железо прочнее, и шансов прорваться через плотные слои атмосферы и не разлететься на мелкие осколки у железного метеорита больше.
Немыслимые скорости
Судьба метеороида зависит не только от его размера и физико-химических свойств его вещества, но и от скорости вхождения в атмосферу, которая может варьироваться в довольно большом диапазоне. Но в любом случае речь идет о сверхвысоких скоростях, значительно превышающих скорость движения даже не сверхзвуковых самолетов, а и орбитальных космических аппаратов.
Средняя скорость вхождения в атмосферу — 19 км/с, однако, если метеороид входит в контакт с Землей на курсах, близких к встречному, скорость может достигать и 50 км/с, то есть 180 000 км/ч. Самой маленькой скорость вхождения в атмосферу окажется тогда, когда Земля и малое небесное тело будут двигаться как бы на соседних орбитах, рядом друг с другом, пока наша планета не притянет к себе метеороид.
Основные этапы падения метеорита:
- приближение к Земле,
- вхождение в плотные слои атмосферы,
- разрушение с резким ростом энерговыделения,
- выпадение обломков на Землю.
Чем выше скорость вхождения небесного тела в атмосферу, тем сильнее нагрузки на него, тем дальше от Земли оно начинает разрушаться и тем выше вероятность, что оно разрушится, так и не долетев до поверхности нашей планеты. В Намибии в окружении заботливо сделанного ограждения, имеющего форму маленького амфитеатра, лежит огромная металлическая глыба, состоящая на 84% из железа, а также из никеля и кобальта.
Весит глыба 60 т, при этом она является крупнейшим цельным куском космического вещества, когда-либо найденного на Земле. Метеорит упал на Землю около 80 000 лет назад, не оставив после падения даже кратера. Вероятно, благодаря какому-то стечению обстоятельств скорость его падения была минимальна, так как сравнимый по массе и также металлический Сихотэ-Алинский метеорит (1947 год, Приморский край) развалился на множество кусков и при падении создал целое кратерное поле, а также огромную область рассеяния мелких обломков, которые в Уссурийской тайге собирают до сих пор.
Что же там взрывается?
Еще до того как метеорит упадет на землю, он может, как наглядно показал челябинский случай, быть весьма и весьма опасным. Врывающееся в атмосферу на гигантской скорости небесное тело генерирует ударную волну, в которой воздух нагревается до температур более 10 000 градусов. Излучение ударно-нагретого воздуха вызывает испарение метеороида.
Благодаря этим процессам его окутывает ореол светящегося ионизированного газа — плазмы.
За ударной волной образуется зона высокого давления, которое испытывает на прочность лобовую часть метеорита. По бокам же давление существенно ниже. В результате возникшего градиента давлений метеорит с большой долей вероятности начнет разрушаться.
Как именно это произойдет — зависит от конкретных размеров, формы и особенностей строения данного метеороида: трещин, выемок, полостей. Важно другое — при разрушении болида увеличивается площадь его поперечного сечения, что моментально приводит к росту энерговыделения. Увеличивается область газа, которую тело захватывает, все больше кинетической энергии преобразуется в тепловую.
Быстрый рост энерговыделения в ограниченной области пространства за короткое время есть не что иное, как взрыв. Именно в момент разрушения резко усиливается свечение болида (происходит яркая вспышка). И скачкообразно растет площадь поверхности ударной волны и, соответственно, масса ударно-нагретого воздуха.
При взрыве конвенционального или ядерного боеприпаса ударная волна имеет сферическую форму, но в случае с метеоритом это, конечно, не так.
Когда малое небесное тело входит в атмосферу, оно формирует условно коническую ударную волну (метеороид при этом находится на острие конуса) — примерно такую же, как создается перед носовой частью сверхзвукового летательного аппарата.
Но разница наблюдается уже и здесь: ведь летательные аппараты имеют обтекаемую форму, а врезающийся в плотные слои болид совершенно не обязан быть обтекаемым. Неправильности его формы создают дополнительные завихрения. С уменьшением высоты полета и увеличением плотности воздуха аэродинамические нагрузки возрастают. На высотах около 50 км они сравниваются с прочностью большинства каменных метеороидов, и метеороиды с большой вероятностью начинают разрушаться.
Каждый отдельный этап разрушения несет с собой дополнительное выделение энергии, ударная волна приобретает вид сильно искаженного конуса, дробится, из-за чего при пролете метеорита может быть несколько последовательных приходов избыточного давления, которые ощущаются на земле как серия мощных хлопков.
В челябинском случае таких хлопков было минимум три.
Воздействие ударной волны на поверхность Земли зависит от траектории полета, массы и скорости тела. Челябинский метеорит летел по очень пологой траектории, и его ударная волна задела районы городской застройки лишь краем. Большинство же метеоритов (75%) входит в атмосферу по траекториям, наклоненным к поверхности Земли под углом более 30 градусов, и тут всё зависит от того, на какой высоте произойдет главная фаза его торможения, обычно связанная с разрушением и резким увеличением энерговыделения.
Если эта высота велика, ударная волна дойдет до Земли в ослабленном виде. Если же разрушение произойдет на более низких высотах, ударная волна может «зачистить» огромную площадь, примерно как это происходит при атмосферном ядерном взрыве. Или как при ударе Тунгусского метеорита.
Как камень испарился
Еще в 1950-х годах для моделирования процессов, происходящих при пролете метеороида сквозь атмосферу, была создана оригинальная модель, состоявшая из детонационного шнура (имитирующего фазу полета до разрушения) и прикрепленного на его конце заряда (имитирующего расширение).
Под моделью латунной поверхности закрепляли вертикально медные проволочки, изображавшие лес.
Эксперименты показали, что в результате детонации основного заряда проволочки, сгибаясь, давали весьма реалистичную картину вывала леса, аналогичную той, что наблюдалась в районе Подкаменной Тунгуски. Следы Тунгусского метеорита не обнаружены до сих пор, причем популярная гипотеза о том, что телом, столкнувшимся с Землей в 1908 году, было ледяное ядро небольшой кометы, вовсе не считается единственно достоверной.
Современные расчеты показывают, что тело большей массы, входя в атмосферу, глубже погружается в нее до этапа торможения, и его фрагменты большее время подвержены сильному излучению, что увеличивает вероятность их испарения.
Тунгусский метеорит вполне мог быть и каменным, однако, раздробившись на относительно небольшой высоте, он мог породить облако очень мелких обломков, которые от соприкосновения с раскаленными газами испарились. До земли дошла лишь ударная волна, которая произвела на площади более 2000 км2 разрушения, сопоставимые с действием термоядерного заряда мощностью 10–20 Мт.
Имеется в виду как динамическое воздействие, так и таежные пожары, порожденные световой вспышкой. Единственный фактор, который в данном случае не действовал, в отличие от ядерного взрыва, — это радиация. Действие фронтальной части ударной волны оставило по себе память в виде «телеграфного леса» — стволы устояли, но ветви были обрублены все до единой.
Энерговыделение при разрушении челябинского метеорита считается, по предварительным оценкам, эквивалентным 300 кт тротила, что примерно в 20 раз больше мощности уранового «Малыша», сброшенного на Хиросиму. Если бы траектория полета болида была близка к вертикальной, а место падения пришлось бы на городскую застройку, колоссальные жертвы и разрушения были бы неизбежны. Так насколько велик риск повторения, и надо ли относиться всерьез к метеоритной угрозе?
Нелишняя предосторожность
Да, ни один метеорит пока, к счастью, никого не убил, однако угроза с неба не столь ничтожна, чтобы с ней не считаться. Небесные тела типа тунгусского падают на Землю примерно раз в 1000 лет, и это значит, что в среднем каждый год они полностью «зачищают» 2,5 км2 территории.
Падение тела типа челябинского отмечено последний раз в 1963 году в районе островов Южной Африки — тогда энерговыделение при разрушении тоже составляло около 300 кт.
В настоящее время перед астрономическим сообществом поставлена задача выявить и отследить на близких к земной орбитах все небесные тела размером более 100 м в поперечнике. Но бед могут натворить и более мелкие метеороиды, тотальный мониторинг которых пока не представляется возможным: для этого нужны специальные и многочисленные инструменты наблюдения. На сегодняшний день вхождение лишь 20 метеороидных тел в атмосферу наблюдалось с помощью астрономических инструментов.
Известен лишь один случай, когда падение относительно крупного метеорита (поперечник около 4 м) было предсказано примерно за сутки (он упал в Судане в октябре 2008 года). А между тем предупреждение о космическом катаклизме даже за сутки — это совсем неплохо. Если небесное тело грозит упасть на населенный пункт, за 24 часа поселение можно эвакуировать.
И уж конечно, суток хватит на то, чтобы лишний раз напомнить людям: если вы видите в небе яркую вспышку, надо прятаться, а не прилипать лицом к оконному стеклу.
Российский ученый раскрыл тайну метеоритных взрывов :: Hi-tech :: Дни.ру
Физик Александр Брагинский считает ошибочной общепринятую в настоящее время теорию о том, что метеориты сгорают от трения в плотных слоях атмосферы при подлете к Земле. По его мнению, взрываются не сами небесные тела, взрывается воздух: он разрушается как сплошная среда или, как говорят физики, – претерпевает фазовый переход. Чтобы это доказать, он вывел собственную научную теорию, основанную на фундаментальном минимальном взаимодействии, над которой работал не один год.
Как утверждает Брагинский, современные академические представления о природе сгорания метеоритов сильно устарели. «Более трех лет прошло с момента взрыва Челябинского метеорита, а ответа на вопрос о том, что же взорвалось в небе над Челябинском так и не получено. Удивительное явление – падает камень и вдруг взрывается с силой в несколько атомных бомб, при этом радиация в районе Челябинска остается в норме», – пишет ученый в своем блоге.
Физик уверен, что ответ на вопрос может быть получен, если посмотреть на испытание рельсотрона в США, которое показали по центральным каналам в мае этого года. По его мнению, этот эксперимент продемонстрировал взрыв, который был аналогичен тому, что произошел с метеоритом в небе над Челябинском.
Ученый пишет, что при выстреле из рельсотрона, который разгоняет снаряд с помощью электромагнитного поля, происходит взрыв, в результате чего образуется высокотемпературная плазма и слышен звук, непосредственно самого выстрела. «Удивительно, – отмечает ученый, – взрыв есть, а пороха нет!».
Брагинский полагает, что, как и в случае с Челябинским метеоритом, так и при испытании рельсотрона, взрыв не является результатом ядерной или химической реакции. Физик уверен, что взрывается сам воздух по причине своего критического ускорения. Он подвергает сомнению общепринятое еще с советских времен утверждение о том, что метеориты сгорают в плотных слоях атмосферы в результате трения о воздух.
По мнению ученого, это вряд ли возможно. Дело в том, что та плотность воздуха, в которой они сгорают при подлете к земле, на три порядка ниже его плотности на самой Земле. По его словам, разница примерно такая же, как разница в плотности воды и воздуха в нормальных условиях.
Для доказательства своей теории он приводит сравнение метеоритов с реактивными самолетами. Как отмечает Брагинский, современные реактивные летательные аппараты развивают скорость на порядок меньшую, чем скорость полета метеоритов при приближении к Земле. При этом летают самолеты в воздухе гораздо более плотном, чем там, где сгорают метеориты. Однако самолеты до состояния плазмы не нагреваются, не взрываются и не испаряются без остатка за несколько секунд.
При этом ученый отмечает, что метеориты по своему составу похожи на руду. Однако всем нам известно, что руда не взрывается от нагрева или перепада давления. Она плавится в доменных печах, но взрыва не происходит. Когда метеорит падает на землю, уверен Брагинский, то взрывается воздух, а не само космическое тело.
По его словам, это наглядно было продемонстрировано выстрелом из рельсотрона.
Фото: GLOBAL LOOK press/Zhang Jiansong
К тому же известно, что метеориты падают на Землю со скоростью 10-70 километров в секунду, и сгорают на высоте более 30-80 километров над ней. Таким образом, у них просто нет времени, чтобы раскалиться в плотных слоях атмосферы. За несколько секунд нагреться так, чтобы сгореть без остатка не представляется возможным. Чтобы испариться за несколько секунд, нужна температура на порядок большая, чем температура кипения металлов – 3000 градусов. Всем известно, что вода в чайнике может долго кипеть, прежде чем она полностью испариться, а в доменной печи вода испариться за несколько секунд. Чтобы испариться камню, нужна температура порядка 30 000 градусов – это температура плазмы в молнии. «Взрыв и молния – это одно и то же явление природы, при котором разрушается воздух как сплошная среда – это один и тот же фазовый переход». Очевидно, что ни о каком трении, о разряженный воздух, не может быть и речи, чтобы получить 30 000 градусов.
Природу взрыва можно понять при изучении фазовых превращений, когда разрушается воздух – как сплошная среда. Такое превращение происходит с поглощением энергии, согласно термодинамике: кинетическая энергия метеорита преобразуется в энергию высокотемпературной плазмы и ударной волны в воздухе. Переход энергии подобен ядерному взрыву, так как ответственно за взрыв метеорита сильное минимальное взаимодействие.
В беседе с Dni.Ru физик отметил, что версия о возможности взрыва метеорита 06.12.2016 в Хакасии из-за перепада давления между слоями метеорита – несостоятельна.
«В таком случае, можно взять из музея Челябинский метеорит, весом полтонны – нагреть и сжать его как можно сильнее. Очевидно, что взрыва от этого всё равно не будет», – сказал он. Взрывается воздух, а не камень. И это явление обусловлено ускорением воздуха: если ускорить воздух выше критического ускорения, то произойдет фазовый переход – взрыв. Расчеты показывают, что критическое ускорение пропорционально корню квадратному из плотности воздуха, поэтому на высоте 70 км оно в сто раз меньше чем на Земле.
Такое ускорение легко достигается при торможении метеорита в «плотных слоях атмосферы».
«Это известно из космонавтики: чтобы не взорваться и не сгореть при вхождении в плотные слои атмосферы надо очень сильно затормозить спускаемый аппарат и пройти «плотные слои атмосферы» на малой скорости. Ни в коем случае, нельзя придавать воздуху критическое ускорение, которое на высоте 70 км равно всего 10 метров на секунду в квадрате», – утверждает ученый. По его словам, движущийся со скоростью более 10 км/с метеорит легко ускоряет воздух, даже разреженный, с ускорением больше 10 м/с2. «У метеорита нет тормозов, вот, он и взрывается!» – объясняет физик.
Dni.Ru напоминают, что во вторник, 6 декабря, примерно в 18.50 по местному времени в небе над южными районами Хакасии был замечен метеорит. Падение небесного объекта сопровождалось яркой вспышкой и характерным звуком. При этом местные жители сообщили о взрыве, а также шатающихся стенах. «Он был желтым, а сзади синим горел и исчез резко.
Когда я подошел к зданию, сильный грохот был, очень! И такой звук был, как самолет в небе – прямо шипящий», – рассказал один из очевидцев события.
КАК ПЕНСИОНЕРАМ ОФОРМИТЬ ЛЬГОТЫ НА ЖКХ
трение — Какие процессы происходят при входе метеора в атмосферу?
спросил
Изменено
5 лет, 8 месяцев назад
Просмотрено
1к раз
$\begingroup$
Какие процессы происходят при входе метеора в атмосферу Земли и какова тогда будет скорость метеора при встрече с сопротивлением воздуха?
- трение
- атмосферные науки
- сопротивление
- метеоры
$\endgroup$
$\begingroup$
При приближении метеороида к Земле он сталкивается с атмосферными атомами и
молекул, некоторые из которых поглощаются и захватываются метеороидом.
Генерируемое тепло
заставляет атомы испаряться и сталкиваться с атомами в атмосфере. Это дает ионизированный
частицы, которые окружают метеороид светящейся оболочкой, оставляя после себя столб плазмы.
Метеороид теперь виден как метеор. Если метеорный след сохраняется более секунды, это называется поездом. Поезда могут длиться много минут, и их можно использовать для наблюдения за движением верхних слоев атмосферы.
Большинство метеороидов не переживают процесс входа, но те, которые выживают, называются метеоритами.
$\endgroup$
1
$\begingroup$
Метеориты, как правило, движутся с очень высокой скоростью (около 11-70 км в секунду, согласно этой статье. В результате замедления их атмосферой они нагреваются, образуя «огненный шар», обычно наблюдаемый при входе в атмосферы, а некоторые могут взорваться в небе (например, Тунгуска и недавнее событие в России).
0005
$\endgroup$
Зарегистрируйтесь или войдите в систему
Зарегистрируйтесь с помощью Google
Зарегистрироваться через Facebook
Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль
Опубликовать как гость
Электронная почта
Требуется, но никогда не отображается
Опубликовать как гость
Электронная почта
Требуется, но не отображается
Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie
.
Почему метеороиды сгорают до того, как достигают Земли • Earth.com
12-11-2017
ByKay Vandette
Штатный сотрудник Earth.com
В 2013 году метеороид шириной 65 футов вошел в атмосферу Земли и пролетел над городом Челябинск, Россия.
Метеороид весом в 10 000 тонн взорвался над Челябинском ударной волной, ранив чуть более 1000 человек, выбив окна и обрушив крышу завода.
Взрыв, заснятый на пленку как огненный шар, пронесшийся по небу, вызвал ожоги кожи и сетчатки глаза, сияя в 30 раз ярче солнца.
Челябинское событие все еще изучается сегодня, и в недавних исследованиях удалось использовать крупный метеоритный взрыв, чтобы показать, как наша атмосфера защищает от ударов метеоритов.
Исследователи из Университета Пердью обнаружили, что атмосфера Земли работает как естественный щит, а сила воздуха, сталкивающая метеороид, когда он входит в гравитационное поле Земли, заставляет его треснуть и взорваться.
Исследование опубликовано в журнале Meteoritics & Planetary Science .
Хорошо известно, что метеороиды часто взрываются до того, как достигают поверхности Земли, но исследователи до сих пор не могли понять, почему это произошло.
Исследователи из Purdue собрали данные о челябинском событии, чтобы смоделировать взрыв метеоров в атмосфере.
Русский метеорит весил 10 000 тонн, но было извлечено только 2 000 тонн обломков, что означает, что в атмосфере произошло что-то, из-за чего метеороид раскололся на более мелкие части.
Исследователи использовали компьютерный код, который учитывал как массу тела, так и давление воздуха во время различных траекторий движения метеора относительно Земли.
Результаты расчетов показали, что давление воздуха перед метеоритом было настолько сильным, что воздух мог пройти сквозь метеорит и разбить его на части.
«Существует большой градиент между воздухом высокого давления перед метеором и вакуумом воздуха за ним», — сказал Джей Мелош, профессор наук о Земле, атмосфере и планетах Университета Пердью и соавтор статьи.