Солнечная система (Астрономия и астрофизика) - Сурдин Владимир Георгиевич - Страница 83

Физические явления, вызванные полетом метеороида в атмосфере

Скорость тела, падающего на Землю издалека, вблизи ее поверхности всегда превышает вторую космическую скорость (11,2 км/с). Но она может быть и значительно больше. Скорость движения Земли по орбите составляет 30 км/с. Пересекая орбиту Земли, объекты Солнечной системы могут иметь скорость до 42 км/с (параболическая скорость на расстоянии 1 а.е. от Солнца, равная √2×30 км/с). Поэтому на встречных траекториях метеороид может столкнуться с Землей со скоростью до 72 км/с.

При входе метеороида в земную атмосферу происходит много интересных явлений, о которых мы только упомянем. Вначале тело вступает во взаимодействие с очень разреженной верхней атмосферой, где расстояния между молекулами газа больше размера метеороида. Если тело массивное, то это никак не влияет на его состояние и движение. Но если масса тела ненамного превышает массу молекулы, то оно может полностью затормозиться уже в верхних слоях атмосферы и будет медленно оседать к земной поверхности под действием силы тяжести. Оказывается, таким путем, т.е. в виде пыли, на Землю попадает основная доля твердого космического вещества. Подсчитано, что ежедневно на Землю поступает порядка 100 т. внеземного вещества, но только 1% этой массы представлен крупными телами, имеющими возможность долететь до поверхности.

Заметное торможение крупных объектов начинается в плотных слоях атмосферы, на высотах менее 100 км. Движение твердого тела в газовой среде характеризуется числом Маха (М) — отношением скорости тела к скорости звука в газе. Число М для метеороида меняется с высотой, но обычно не превосходит М=50. Перед метеороидом образуется ударная волна в виде сильно сжатого и разогретого атмосферного газа. Взаимодействуя с ней, поверхность тела нагревается до плавления и даже испарения. Набегающие газовые струи разбрызгивают и уносят с поверхности расплавленный, а иногда и твердый раздробленный материал. Этот процесс называют абляцией.

Раскаленные газы за фронтом ударной волны, а также капельки и частички вещества, уносимые с поверхности тела, светятся и создают явление метеора или болида. При большой массе тела явление болида сопровождается не только ярким свечением, но порой и звуковыми эффектами: громким хлопком, как от сверхзвукового самолета, раскатами грома, шипением, и т.п. Если масса тела не слишком велика, а его скорость находится в диапазоне от 11 км/с до 22 км/с (это возможно на «догоняющих» Землю траекториях), то оно успевает затормозиться в атмосфере. После этого метеороид движется с такой скоростью, при которой абляция уже не эффективна, и он может в неизменном виде долететь до земной поверхности. Торможение в атмосфере может полностью погасить горизонтальную скорость метеороида, и дальнейшее его падение будет происходить почти вертикально со скоростью 50—150 м/с, при которой сила тяжести сравнивается с сопротивлением воздуха. С такими скоростями на Землю упало большинство метеоритов.

При очень большой массе (более 100 т.) метеороид не успевает ни сгореть, ни сильно затормозиться; он ударяется о поверхность с космической скоростью. Происходит взрыв, вызванный переходом большой кинетической энергии тела в тепловую, и на земной поверхности образуется взрывной кратер. В результате значительная часть метеорита и окружающие породы плавятся и испаряются.

Нередко наблюдается выпадение метеоритных дождей. Они образуются из фрагментов разрушающихся при падении метеороидов. Примером может служить Сихоте-Алиньский метеоритный дождь. Как показывают расчеты, при снижении твердого тела в плотных слоях земной атмосферы на него действуют огромные аэродинамические нагрузки. Например, для тела, движущегося со скоростью 20 км/с разность давлений на его фронтальную и тыльную поверхности меняется от 100 атм. на высоте 30 км. до 1000 атм. на высоте 15 км. Такие нагрузки способны разрушить абсолютное большинство падающих тел. Только наиболее прочные монолитные металлические или каменные метеориты способны их выдержать и долететь до земной поверхности.

Уже несколько десятилетий существуют так называемые болидные сети — системы наблюдательных пунктов, оборудованных специальными фотокамерами для регистрации метеоров и болидов. По этим снимкам оперативно вычисляются координаты возможного места падения метеоритов и проводится их поиск. Такие сети были созданы в США, Канаде, Европе и СССР и охватывают территории примерно по 10⁶ кв. км.

О метеоритных кратерах и других последствиях падений метеоритов

Встречи Земли с крупными метеороидами создают опасность для людей и всего, что ими создано, а также для земной флоры и фауны. Более того, катастрофические события, подобные Тунгусскому, могут создать угрозу всей человеческой цивилизации. Конечно, это может произойти только при столкновении с достаточно большим телом, типа астероида или ядра кометы. Земная поверхность хранит следы таких столкновений в виде кратеров больших размеров — так называемых астроблем (т.е. «звездных ран»). Их уже обнаружено более 230. Диаметры самых крупных из них превышают 200 км.

Один из хорошо сохранившихся кратеров (по причине его относительной молодости) — так называемый Метеорный кратер, или Каньон дьявола, расположенный на плато Колорадо (1700 м. над уровнем моря) в северной части штата Аризона, США. В 1906 г. горный инженер Дэниел Берринджер (D.М. Barringer, 1860—1929) доказал, что этот кратер диаметром 1,2 км. имеет ударное происхождение: Берринджер обнаружил фрагменты метеорита, рассеянные в радиусе 5 км. вокруг кратера. При дальнейших исследованиях было собрано около 12 т. космического вещества и установлено, что кратер возник при падении железо-никелевого метеорита размером около 40 м. и массой около 300 тыс. тонн, летевшего со скоростью около 12 км/с. Это удалось установить в 2005 г. путем математического моделирования процесса образования кратера. Расчет показал, что метеорит начал разрушаться на высоте около 5 км., сплющился и превратился в «блин» диаметром 200 м. В воздушной ударной волне рассеялась энергия, эквивалентная взрыву 6,5 мегатонн ТНТ, и еще 2,5 Мт. выделилось при ударе о поверхность. Таким образом, полная энергия была почти такой же, как у Тунгусского метеорита, но результат оказался совсем иной!

Из-за атмосферной и водной эрозии на Земле практически не осталось древних кратеров размером менее 1 км. Даже гигантские кратеры диаметром в сотни километров исчезают примерно за 100 млн. лет. Известный пример — кратер Чиксулуб (Chicxulub) на п-ове Юкатан (Мексика). Его диаметр около 180 км.; он образовался 65 млн. лет от падения астероида размером около 10 км. (энергия взрыва составили 5×10²³ Дж, или 10¹⁴ тонн ТНТ), но следы этого происшествия, стоившего жизни динозаврам, уже практически исчезли.

Значительно лучше и дольше сохраняются метеоритные кратеры на Луне, Меркурии, Марсе и других планетах и спутниках с разреженной атмосферой или вообще без нее. Как показывают расчеты, в течение первых 100 млн. лет после своего образования Земля вычерпала практически все твердое вещество, двигавшееся в окрестности ее орбиты. Однако Земля и сейчас продолжает встречать на своем пути пыль, камни и даже глыбы километровых размеров. Откуда же они берутся? Мы ответим на этот вопрос, но сначала познакомимся с составом и структурой метеоритного вещества.

Состав и строение метеоритного вещества

Среди падающего на Землю метеоритного вещества по количеству падений примерно 92% составляют каменные метеориты, 6% железные и 2% железо-каменные (а по общей массе, соответственно, 85, 10 и 5%).

Атмосфера служит первым «фильтром», сквозь который должно пройти метеоритное вещество. Чем более оно тугоплавкое и прочное, тем больше у него шансов попасть на земную поверхность. Еще одним фильтром можно считать селекцию метеоритов при их находках. Чем сильнее метеорит выделяется на фоне земной поверхности, тем легче его найти. Тридцать лет назад японские ученые обнаружили, что лучшим местом для поиска метеоритов является Антарктида. Во-первых, метеорит легко обнаружить на фоне белого льда. Во-вторых, во льдах они лучше сохраняются. Упавшие в других местах Земли метеориты подвергаются действию атмосферного выветривания, водной эрозии и прочих разрушающих факторов; поэтому они либо разлагаются, либо оказываются погребенными.