О камнях с неба
В свое время Французская Академия наук, изучив свидетельства о падении камней с неба и сами камни, постановила: камни с неба падать не могут, потому что им там неоткуда взяться и многие музеи, не желая быть осмеянными за суеверия, поспешили избавиться от коллекций небесных камней. Но факты — вещь упрямая, камни с неба не послушались ученых и продолжали падать, и вскоре ученые изменили свое мнение о метеоритах, а они сами стали едва ли не самым желанным объектом для изучения. Ведь это был тогда единственный способ заглянуть за границы земной атмосферы.
Громовые камни и Лавуазье
Предания о страшных небесных знамениях, сопровождавшихся грохотом и падением с неба камней, известны с древности. Пожалуй, наиболее ранние задокументированные описания падения метеоритов имеются в китайских летописях: в 616 году до нашей эры каменным дождем были убиты десять человек, причем еще одно подобное событие, также приведшее к гибели людей, произошло в 588 году до н.э. Есть свидетельства о падении метеоритов и в Ветхом завете, и в Махабхарате, и в русских летописях.
А в 1768 году произошло то самое событие, которое заставило ученых обратить внимание на метеориты. Камень с неба (тогда ученые чаще называли их аэролитами) упал вечером 13 сентября в поле недалеко от местечка Люсэ. Упал с грохотом и свистом, зарывшись в мягкую вспаханную землю и оказался очень горячим. Крестьяне, ставшие свидетелями падения, в ужасе разбежались, а потом, вернувшись, обнаружили камень мирно лежащим, черным и холодным. Явление небесного камня, разумеется, было сочтено божественным чудом, о котором сразу же в народе пошли слухи и толки, а время для них было не самым подходящим: это была Эпоха Просвещения, когда не в чести были такие слухи, а обществу нужно было научное объяснение случившегося.
Разбираться в случившемся Французская Академия наук поручила комиссии из трех ученых — Клода Луи Каде, химика-фармацевта, Оливье Фужеро, минералога — и не столь известного тогда Антуана Лавуазье. И, после тщательного изучения камня и расспросов свидетелей им ничего не оставалось, как развести руками. И Лавуазье представил отчет, в котором была начисто отвергнута возможность того, что этот камень упал с неба. Ведь представления о небесной тверди были наукой давно отброшены. Оставалось два варианта: либо камень сконденсировался в атмосфере, либо был выброшен далеким вулканом и рухнул на землю. И оба варианта были признаны невозможными. А о том, что камни просто так могут летать в космосе, ученые не то, чтобы не догадывались, но сам космос представлялся скорее философской категорией, чем местом, в котором могут летать камни. К тому же сама гипотеза о «небесном происхождении» камня базировалась лишь на путанных показаниях экзальтированных и малообразованных свидетелей чуда, воспринимавших его не иначе как божественное явление. То есть, все было слишком похоже на суеверие. А с суевериями Французская Академия наук считала своим долгом бороться.
Распространен миф, что этим отчетом на долгие годы был наложен запрет на исследование метеоритов и обсуждение их внеземного происхождения. На самом деле, это не так, да и сам этот отчет не имел характера исторического документа и был опубликован только в 1772 году с комментарием «непременного секретаря» Академии наук Ж. де-Фуши о необходимости дальнейшего исследования подобных явлений. Метеориты, тем временем, продолжали падать, и к тому времени, когда за их изучение взялся чешский ученый Эрнест Хладни (или Хладный, как кому больше нравится), ставший «отцом метеоритики», на территории Европы успело упасть несколько метеоритов.
Хладни, будучи не естествоиспытателем, а юристом, взялся за это дело, как детектив, и стал методично опрашивать сотни свидетелей, сопоставляя их показания. В них было много выдумки, невольного преукрашивания, додумывания картины, откровенного вранья и вождения за нос. Но среди всего этого мусора были детали, которые неизменно совпадали. И эти детали не давали сомневаться: камни действительно упали с неба. А еще он четко установил связь падения камней с болидами. К тому времени о болидах уже кое-что было известно. 19 марта 1718 года яркий болид промчался над Лондоном и этот полет наблюдал Галлей — тот самый, именем которого названа комета. И наблюдения эти были не только описательными — по ним удалось определить расстояние до болида и высоту его полета, которая оказалась очень велика. Все это говорило: камни прилетают из-за пределов земной атмосферы.
Последние предубеждения против метеоритов были развеяны изучением метеоритного дождя, случившегося 26 апреля 1803 года около города Эгль в Нормандии, в 160 км от Парижа. Этим занимался Жан-Батист Био, подтвердивший космическое происхождение выпавших камней.
Я хотел быть посторонним свидетелем, не предвзятым в своем мнении, и постарался изложить факты, как они были, не приводя никаких гипотез… Я надеюсь, что я доказал полную очевидность наиболее необычного феномена, который когда-либо наблюдался людьми… Потребуются большие достижения науки для того, чтобы должным образом исследовать этот феномен, относительно которого мы не имеем удовлетворительного объяснения; на такое мужество способен лишь богатый знаниями человек. При всех сомнительных вопросах невежды готовы слепо верить, недоучки все решать, и только истинные ученые способны все исследовать.
Ж.-Б. Био
Метеороиды, метеоры, метеориты
Слово метеорит известно всем, но используется часто неправильно. Можно услышать фразу «Смотрите, метеорит летит!», прочитать о том, что кратеры на Луне образовались в результате падений на Луну метеоритов, и т.п. Тем не менее, метеорит — это тело космического происхождения, упавшее на поверхность крупного небесного объекта.. Это результат уже состоявшегося падения.
Само тело, до того, как оно упало на Землю (или другую планету, спутник, астероид или планетоид) носит название метеороида. А атмосферное явление, вызванное пролетом метеороида сквозь нее носит название метеора, если оно имеет характер «падающей звезды» или болида, если это более масштабное явление, выглядящее как ослепительный огненный шар с дымовым шлейфом, нередко сопровождающийся свистом, грохотом и другими звуковыми явлениями.
А метеорит — это то, что упало и сохранилось в виде самостоятельного твердого тела. Кстати, падение метеорита — явление, характерное только для планет, имеющих достаточно плотную атмосферу и, например, на Луне метеоритов нет, несмотря на обилие кратеров. Дело в том, что взаимная скорость метеороида и планеты при столкновении всегда достаточно велика и практически всегда превышает 10 км/с. И при такой скорости кинетическая энергия килограммового тела, составляет 50 МДж, что в несколько раз превышает теплоту испарения железа. Так что в результате столкновения с поверхностью безатмосферной планеты или спутника метеороид полностью прекращает свое существование — превратившаяся в тепло при столкновении энергия испаряет его и некоторое количество пород мишени. Расширение образовавшегося при этом перегретого сильно сжатого пара представляет собой мощный взрыв, результатом которого является образование ударного кратера А бывшее вещество метеорита, сконденсировавшись в виде мельчайших пылевых частиц, выпадает вокруг.
На самом деле, минимальная скорость падения метеороида на Луну — 2,4 км/с (вторая космическая), а на малые планеты — и того меньше. При такой скорости энерговыделения недостаточно для полного испарения метеорита. Тем не менее, вероятность падения с такой скоростью крайне мала, так что шансы найти метеорит на поверхности Луны или астероида невелики.
При падении на планету с атмосферой картина полностью меняется. Молекулы воздуха, скорость которых относительно метеорита соответствует температуре в десятки и сотни тысяч кельвин, бомбардируют поверхность тела, передавая ему свою энергию, и, отскакивая от нее, устремляются навстречу набегающему потоку, сжимая его и превращая энергию поступательного движения молекул в энергию хаотического, теплового. Образуется ударная волна, в которой воздух разогревается до чудовищных температур, превращаясь в плазму. Ее излучение греет и поверхность метеороида, плавя ее и переводя в пар, который немедленно уносится набегающим потоком, вместе с каплями расплава. Этот процесс, который называют абляцией, приводит к интенсивному уносу вещества с поверхности метеорита. Из-за очень высокой температуры воздух и пары метеорита в значительной степени ионизированы, то есть представляют собой плазму.
В результате абляции небольшой метеороид просто полностью испаряется. Более крупное тело не успевает испариться и его остаток, часто не превышающий по массе нескольких процентов от исходной, успевает потерять скорость до «безопасной», после чего в плотных слоях теряет ее вплоть до скорости свободного падения и падает на Землю к ногам перепуганных наблюдателей (а гораздо чаще — в какую-нибудь лесную глушь, в болото, в океан или на лед Антарктиды).
Но метеорит подвергается не только абляции, а еще и колоссальным аэродинамическим силам набегающего сверхскоростного потока. Выдержать их могут только очень прочные объекты. В противном случае получается вот какая интересная штука. Космический камень разваливается, но это не уменьшает нагрузок, действующих на его обломки. Напротив, они растут вместе с ростом плотности атмосферы, так что дробление продолжается и приобретает лавинообразный характер: вместо исходного тела мы теперь имеем рой все сильнее измельчающихся обломков с лавинообразно нарастающей площадью лобового сопротивления. В итоге весь рой разом, за короткое время, полностью тормозится и его кинетическая энергия переходит в тепловую. Результат примерно тот же, что и при образовании метеоритного кратера: эта тепловая энергия превращает все вещество метеорита в горячую плазму, расширение которой представляет собой взрыв, мощность которого порой сопоставима с ядерными взрывами или даже превосходит их. Только этот взрыв не наземный, а воздушный. По-видимому, такой взрыв произошел во время знаменитого Тунгусского события 1908 года. Довольно крупное и при этом непрочное тело, возможно, представляло собой ледяное кометное ядро или же рыхлый углистый хондрит, и обладало кинетической энергией того же порядка, что выделилась при взрыве «Царь-Бомбы» (или «Кузькиной Матери»). Оно не долетело до земной поверхности, а, лавинообразно разрушившись, выделило эту энергию в виде воздушного взрыва, равного которому человечество не видело еще полвека. Взрыв Челябинского метеорита имеет аналогичную природу. Разница между ними — в том, что метеороид, влетевший в атмосферу над Челябинском, был меньше размерами и был более прочен. Поэтому разрушение его не было столь полным, как над Подкаменной Тунгуской. В случае же падения железных метеороидов дробление метеороида на фрагменты начинается уже после существенной потери скорости и не успевает завершиться взрывом и их полным или почти полным уничтожением, в результате чего осколки выпадают на Землю обильным метеоритным дождем, подобным Сихотэ-Алинскому.
Крупные метеороиды и астероиды не успевают сколько-нибудь заметно затормозиться атмосферой Земли и врезаются в нее с космической скоростью, что приводит к колоссальному взрыву и образованию метеоритного кратера. В этом случае метеоритное вещество также полностью превращается в пар, а затем в характерные микрочастицы — силикатные и магнетитовые шарики. Из этого следует бесплодность поисков метеоритов в ударных кратерах, за исключением небольших, метровых размеров, воронок, вызванных низкоскоростными ударами, которые не сопровождаются значительным энерговыделением и взрывами.
Размеры и масса метеоритов и метеороидов
Размеры тел, влетающих из космоса в земную атмосферу, варьируют от крохотных микронных частиц, до астероидов поперечником в километры и десятки километров. Совсем микроскопические частицы, вторгаясь в атмосферу, не производят никаких видимых эффектов, но вносят свой вклад в ионизацию ее верхних слоев, а более крупные микрометеороиды, размером с песчинку и массой в миллиграммы, сгорают в верхних слоях атмосферы, ярко вспыхивая на высотах 80–120 км, что наблюдается, как метеоры — «падающие звезды». Камешек покрупнее, с кулак размером, станет длинным и ярким болидом, который ярко осветит ночной пейзаж и даст отчетливые тени, а болид от метеороида размером с арбуз уже посоперничает на пару секунд с полуденным солнцем. Но все эти камни не долетят до земли. Они сгорят без остатка, превратившись сначала в плазму, которая потом, остыв и сконденсировавшись, станет метеорной пылью — бесчисленными мельчайшими шариками железной окалины и силикатного стекла, которыми представлена львиная доля из той сотни тысяч тонн космического вещества, которая каждый год выпадает на земную поверхность. Лишь космический пришелец массой в сотню тонн уже сможет долелеть до Земли. Вернее, долетит его крошечный остаток, массой в граммы или в лучшем случае — килограммы. Потеря массы метеорита при пролете через атмосферу Земли зависит от его скорости и состава.
Крупнейшие из найденных на Земле метеоритов весят десятки тонн. На первом месте стоит железный метеорит Гоба массой 60 тонн, найденный в Намибии (на фото ниже). Вообще, крупнейшие метеориты, как правило, железные. Только прочное железо способно противостоять не только сильнейшему тепловому воздействию, но и страшным механическим напряжениям, разрывающим метеорит в полете, как это случилось с Сихотэ-Алинским метеоритом, общая масса найденных обломков которого достигает 27 тонн.
Масса метеоритов ограничена сверху не только их фрагментацией в полете, но и тем, что крупное тело не успеет затормозиться в атмосфере и к моменту столкновения с Землей сохранит космическую скорость, образовав ударный кратер.
Железные и каменные гости
Даже неспециалист сможет разделить все метеориты на две большие группы — железные и каменные метеориты. Железные метеориты известны с глубокой древности — они не только резко отличаются от земных камней, но и имеют вполне утилитарное значение: метеоритное железо было первым металлом, который держал в руках человек. Они же и сохраняются дольше, и их легче найти. 
Железные метеориты представляют собой в основном сплав двух металлов — железа и никеля с небольшими примесями других элементов. Они образуют два минерала — камасит, содержащий 5–6% никеля и тэнит, богатый им (от 20% и вплоть до чистого никеля). Камасит представляет собой 
-железо, а тэнит представляет собой 
-фазу — аустенит. Существует также тетрагональная модификация тэнита — тетратэнит (камасит и тэнит — кубические). Камасит и тэнит не растворяются друг в друге ниже 500°С, и крайне медленное охлаждение железа промежуточного состава с более высоких температур привело к образованию характерной структуры в виде взаимно прорастающих друг в друга кристаллов этих двух кристаллических фаз. Это так называемые Видманштеттеновы фигуры (фото с Википедии), которые становятся отчетливо видимы на отшлифованной и отполированной поверхности большинства железных метеоритов после ее травления. И знаете, что безмерно удивляет? То, что на срезе какого-нибудь железного метеорита метровых размеров Видманштеттеновы фигуры зачастую сохраняют единую ориентировку! Это означает, что до их образования весь этот гигантский кусок железа представлял собой… монокристалл. А может быть, и весь железный астероид? Видманштеттеновы фигуры характерны только для метеоритов и не воспроизводятся ни в одном искусственном образце железа.
Метеориты, в которых наблюдаются Видманштеттеновы фигуры, носят название октаэдритов. Они содержат 7–15% никеля. Существуют железные метеориты, не дающие характерной картины при травлении — они богаче никелем, чем октаэдриты и камасит-тэнитная структура распада в них имеет микроскопические масштабы или вовсе отсутствует. При меньшем содержании никеля, чем в октаэдритах метеориты состоят целиком из камасита и носят название гексаэдритов.
Но большинство падающих метеоритов — каменные.
Структура большинства каменных метеоритов также необычна и не похожа на земные горные породы. Характерный элемент их структуры — это так называемые хондры (от которых и получил свое название данный тип метеоритов — хондриты), округлые образования размером в доли миллиметра (иногда несколько миллиметров), представляющие собой застывшие капли силикатного расплава и погруженные в тонкозернистую мелкообломочную массу, состав (в частности, высокое содержание воды) и структура которой свидетельствует о том, что значительному нагреванию и плавлению она не подвергалась. Необычен и их химический состав: обычно они содержат металлическое железо и другие самородные металлы, не встречающиеся в земных условиях. Возраст хондритов, определенный радиоизотопной датировкой — более 4,5 миллиардов лет, то есть такой же, как у Солнца, то есть это образцы древнейшего вещества, которое можно подержать в руках.
Наиболее интересны так называемые углистые хондриты. Они содержат много воды (разумеется, в связанном виде, в виде гидросиликатов), большое количество углерода в виде сажи и… органических соединений. По всей видимости, эти метеориты представляют собой практически неизмененное первичное вещество протопланетного диска, из которого образовалась Солнечная система. Обыкновенные и энстатитовые хондриты по сравнению с ними подвергались за свою «жизнь» значительно более сильному нагреву, изменившему их структуру.
Некоторые каменные метеориты хондр не содержат и похожи по структуре на обыкновенные горные породы, что свидетельствует о том, что в своей истории они были нагреты до полного плавления. Такие метеориты носят название ахондритов. Как минимум часть из них — это обломки пород Луны и Марса, выброшенные в результате столкновений с ними астероидов. Установлено марсианское происхождение 34 образцов ахондритов. В связи с одним из марсианских метеоритов, который известен под номером ALH 84001, до сих пор не утихают споры в научной среде. У этого метеорита две особенности. Первая — он представляет собой образец пород эпохи «мокрого Марса». Вторая — в нем обнаружены странные структуры, напоминающие окаменелые биологические объекты. Причем оказалось, что в них содержатся следы органического вещества! Однако до сих пор не удается установить: не являются ли эти структуры следами не марсианской, а земной части истории этого метеорита. Тем не менее, эти «окаменелые бактерии» не имеют ничего общего с земными микроорганизмами: их размеры слишком малы для любых земных клеточных форм жизни.
Каменные метеориты чаще всего содержат некоторое количество самородного железа. Если его содержание велико, то такие метеориты носят название железокаменных. Может и не самые интересные с научной точки зрения, но уж точно самые красивые из них — палласиты. В них в массу железа погружены крупные, нередко прозрачные кристаллы оливина. В некоторых палласитах содержатся еще и кристаллы пироксенов. 
Кроме необычного состава и структуры, у всех земных метеоритов есть две черты, связанные с пролетом через атмосферу. Это кора плавления и характерная форма и скульптура поверхности, связанные с ее аэродинамической обработкой. Бушующее пламя высокотемпературной плазмы, окружающей метеорит, разогревает его поверхность до 1600–3000°С, она плавится и кипит, а расплав и пар немедленно сдуваются набегающим потоком. Весь этот процесс длится буквально секунды, поэтому внутренняя часть метеорита практически не успевает нагреться (особенно у каменных метеоритов, теплопроводность которых мала), а толщина расплавленного слоя не превышает миллиметра. Этот слой затем превращается в кору плавления. Обычно она гладкая и черная, чаще матовая, иногда — блестящая. У каменных метеоритов она представляет собой силикатное стекло, окрашенное железом в темный цвет, у железных — состоит из оксидов железа и никеля. У ископаемых метеоритов кора обычно окисляется, приобретая красно-бурый цвет, и нередко утрачивается на части или всей поверхности.
Абляция при полете в атмосфере иногда придает метеориту характерную форму конуса с лучисто расходящимися от вершины бороздами. В других случаях форма метеорита остается неправильной, а преимущественное выдувание расплава из впадин приводит к возникновению характерной ячеистой структуры на поверхности — регмаглиптов. Они похожи на вмятины, сделанные пальцами в мягкой глине или пластилине, и, как и кора плавления, являются очень характерным признаком метеоритного происхождения куска железа.
Метеориты и псевдометеориты
Несмотря на то, что падения метеоритов — не такое уж редкое событие в масштабах земного шара, далеко не каждому посчастливилось его наблюдать. А еще меньшему количеству людей посчастливилось найти упавший метеорит. И, как за всякой редкостью, за метеоритами охотятся не только ученые, но и разного рода дельцы и спекулянты, а то и попросту мошенники. Метеориты у них — очень дорогой товар. За небольшой, несколько грамм, осколок отнюдь не редкого Сихотэ-Алинского метеорита, общий вес осколков которого составляет десятки тонн, на самоцветных развалах просят несколько тысяч рублей, за которые вместе с метеоритом дадут красивый, но не имеющий никакой юридической силы, сертификат о том, что это действительно метеорит. А цена, запрашиваемая ими за фрагменты недавно упавшего метеорита Челябинск уже зашкаливает за десятки тысяч рублей, причем общее количество этих фрагментов, впариваемых легковерным искателям редкостей, явно превышает разумную величину.
И вот здесь на сцену выходят они они — псевдометеориты.
За метеорит принимают (или пытаются выдать) самые разнообразные вещи вещи. Разного рода шлаки, брызги металла от электросварки, металлургические отходы, переплавленный в костре алюминий, оплавленные обломки кирпича и даже не до конца сгоревшие в печи куски антрацита, выдаваемые за редчайший углистый хондрит.
Иногда бывают действительно сложные случаи. Ахондрит отличить от куска земной породы часто удается только по коре плавления и тонким особенностям состава (в том числе и изотопного. Но большинство метеоритов и псевдометеоритов распознаются специалистами буквально с первого взгляда.
Вот признаки того, что наверняка не является метеоритом:
— «метеорит» представляет собой крупнозернистую горную породу наподобие гранита. Подавляющее большинство каменных метеоритов имеют тонкозернистое строение, иногда — с мелкими обломками, сцементированными спрессованной пылью, но лишь немногие типы содержат крупные кристаллы неметаллических минералов (таковым исключением являются паласситы);
— он имеет признаки глубокого проплавления, состоит целиком или частично из стекловидного вещества (за исключением тектитов, которые, не являясь метеоритами в полном смысле, все же представляют собой метеоритное вещество);
— внутри него имеются поры и раковины. Метеориты, как правило, пор не содержат;
— метеориты никогда не дают красной или коричневой черты на неглазурованном фарфоре (за исключением выветренной коры плавления);
— однозначно отвергает метеоритное происхождение наличие признаков осадочной породы — слоистости, карбонатных минералов (кальцита и др.) в составе, окаменелостей.
А вот признаки, которые указывают на то, что у вас в руках настоящий метеорит.
Невыветренная кора плавления настоящих каменных метеоритов обычно тонкая и черная, даже если порода под ней светлая. Оплавленные техногенные отходы часто наоборот, покрыты светлой корой плавления, толщина которой порой достигает нескольких миллиметров.
Большинство каменных метеоритов содержат металлическое железо в том или ином количестве. На поверхности шлифа это железо отчетливо видно в виде блесток. Отличить эти блестки от часто встречающихся в земных породах сульфидов (пирит, халькопирит, галенит и др.) легко по магнитности и ковкости.
Железные метеориты и железо в составе каменных и железокаменных метеоритов всегда содержит достаточно много никеля, а промышленные металлургические отходы (кроме нержавеющей стали) и часто принимаемые за железные метеориты осколки снарядов — практически его не содержат. Простейшим способом его обнаружения, не требующим вообще никакого оборудования, а лишь несколько капель двух реактивов — раствора диметилглиоксима в спирте и раствора аммиака (аптечный нашатырный спирт). На исследуемую поверхность нанесите каплю раствора аммиака и через несколько минут перенесите ее на листок фильтровальной бумаги, и туда же капните раствором диметилглиоксима. Никель обнаружит себя розовой или красной окраской.
Но для точного установления метеоритного происхождения целесообразно обратиться за помощью в профильное научное учреждение. В Москве — это ГЕОХИ РАН. Экспертизой метеоритов занимается Анна Яковлевна Скрипник из лаборатории метеоритики. Насколько я в курсе текущей ситуации, экспертизу проводят бесплатно, отрезая от каждого поступившего образца настоящего метеорита 20% для пополнения коллекции. Отправить образец на экспертизу можно почтой (без объявленной ценности) или принести лично после договоренности о встрече. Кстати, «охотники за метеоритами» наш институт просто ненавидят: здесь им (как и обманутым ими коллекционерам) сразу объясняют, почему этот камень или железяка — не метеорит.
* * *
Земная атмосфера — это не только воздух, которым мы дышим, это еще и защита. Метеориты — это то немногое, что через этот щит пробилось. Полет через земную атмосферу для метеорита — это серьезное испытание, и пройти его удается только потеряв почти все. Но то немногое, что остается, как ни удивительно, сохраняет неизменным свою внутреннюю структуру.
Если метеоритная тематика заинтересует Хабр, следующая статья будет про метеоритные кратеры.
