Что такое метеориты?
Обсудить 0
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 180000 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.
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 80000 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.
Ударная волна, возникающая при разрушении метеорита, способна принести куда больше бед, чем падение крупного обломка. На фото — отверстие во льду озера Чебаркуль, предположительно пробитое куском челябинского метеорита.
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.
Шорох, которого не должно быть
К загадкам связанным с крупными метеоритами (болидами) относится феномен так называемых электрофонных болидов. В этом случае человек, наблюдающий пролет малого космического тела по небу слышит некий доносящийся от болида шорох. Очевидно, что звуковая волна не может долететь до уха наблюдателя так быстро. По все видимости шорох возникает при взаимодействии идущего от болида электромагнитного излучения с окружающей наблюдателя земной поверхностью. Но что это за взаимодействие, неизвестно. По некоторым свидетельствам электрофонный эффект наблюдался и при пролете челябинского болида.
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 все 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.
Несмотря на то что метеориты выпадают на Землю довольно часто, статистика инструментальных наблюдений за вхождением в атмосферу малых небесных тел пока недостаточна.
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?
Случайная мегабомба
Население Земли расселено по планете неравномерно, большую часть Земли занимают океаны и малообитаемые территории, так что попадание крупного метеорита в населенный пункт имеет не очень высокую вероятность. Однако при неблагоприятном стечении обстоятельств метеорит типа челябинского мог бы нанести ущерб сравнимый с результатами ядерной бомбардировки. При попадании меторита типа тунгусского в крупный мегаполис, последний был бы полностью уничтожен.
Процессы, происходящие при разрушении метеороида в плотных слоях атмосферы несколько отличаются от взрыва заряда, состоящего из тротила или другой взрывчатки. При взрыве ВВ сначала по взрывчатке распространяется детонационная волна, а затем плотные продукты детонации разлетаются в стороны и генерируют в воздухе ударную волну. В метеорите взрывчатки нет. В силу своей огромной скорости он, скорее, сам является аналогом плотных продуктов взрыва. Ударная волна, которую он образует, имеет не сферическую, а условно приближенную к конической форму.
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.
