Метеориты

Каменные и железные тела, упавшие на Землю из межпланетного пространства, называются метеоритами, а наука, их изучающая - метеоритикой. В околоземном космическом пространстве движутся самые различные метеороиды (космические осколки больших астероидов и комет). Их скорости лежат в диапазоне от 11 до 72 км/с. Часто бывает так, что пути их движения пересекаются с орбитой Земли и они залетают в её атмосферу

Явления вторжения космических тел в атмосферу имеют три основные стадии:

1. Полёт в разреженной атмосфере (до высот около 80 км ), где взаимодействие молекул воздуха носит карпускулярный характер. Частицы воздуха соударяются с телом, прилипают к нему или отражаются и передают ему часть своей энергии. Тело нагревается от непрерывной бомбардировки молекулами воздуха, но не испытывает заметного сопротивления, и его скорость остаётся почти неизменной. На этой стадии, однако, внешняя часть космического тела нагревается до тысячи градусов и выше. Здесь характерным параметром задачи является отношение длины свободного пробега к размеру тела L, которое называется числом Кнудсена K n . В аэродинамике принято учитывать молекулярный подход к сопротивлению воздуха при K n >0.1

2. Полёт в атмосфере в режиме непрерывного обтекания тела потоком воздуха, то есть когда воздух считается сплошной средой и атомно-молекулярный характер его состава явно не учитывается. На этой стадии перед телом возникает головная ударная волна, за которой резко повышается давление и температура. Само тело нагревается за счет конвективной теплопередачи, а так же за счет радиационного нагрева. Температура может достигать несколько десятков тысяч градусов, а давление до сотен атмосфер. При резком торможении появляются значительные перегрузки. Возникают деформации тел, оплавление и испарение их поверхностей, унос массы набегающим воздушным потоком (абляция)

3. При приближении к поверхности Земли плотность воздуха растёт, сопротивление тела увеличивается, и оно либо практически останавливается на какой-либо высоте, либо продолжает путь до прямого столкновения с Землёй. При этом часто крупные тела разделяются на несколько частей, каждая из которых падает отдельно на Землю. При сильном торможении космической массы над Землёй сопровождающие его ударные волны продолжают своё движение к поверхности Земли, отражаются от неё и производят возмущения нижних слоёв атмосферы, а так же земной поверхности

Процесс падения каждого метеороида индивидуален. Нет возможности в кратком рассказе описать все возможные особенности этого процесса. Мы остановимся здесь на двух моделях входа:

твёрдых метеоритных тел типа железных либо прочных каменных

легко деформируемых типа рыхлых метеоритных масс и фрагментов голов комет на примере Тунгусского космического тела

30 июня 1908 г . произошло столкновение с атмосферой Земли космического тела, нижняя часть траектории которого проходила над Вост. Сибирью. Траектория закончилась над географической точкой с долготой 101 ° 53’, широтой 60 ° 53’ около 7ч по местному времени

Основные данные наблюдений сводятся к следующему: огромное светящееся космическое тело (угловой размер 0.5 ° на расстоянии 100 км ) поперечных размеров около 800 м двигалось под некоторым углом к горизонту со скоростью более 1 км/с. После этого возникла огромная вспышка света над лесом и мощные акустические волны на расстоянии 100 км ударили многократно в дома живущих там людей, разбив окна, кроме того, людьми ощущался тепловой импульс света

На месте катастрофы последующие экспедиции обнаружили вывал леса общей площадью 2000 км 2 , наблюдались светлые ночи. В районе катастрофы начался пожар и были обнаружены следы радиационного повреждения веток деревьев

Таким образом над тайгой произошло явление взрывного типа, энергия взрыва была больше ,чем энергия взрыва 1 млн. т. тротила

Работа по математическому моделированию началась в 1969 г . К этому времени уже были собраны данные о характере катастрофы

Сейчас это исследование проводится В.П.Коробейниковым,                 П.И.Чушкиным и Л.В.Шуршаловым

В дальнейшем будем придерживаться двух рабочих гипотез

1.В атмосферу влетел фрагмент ядра кометы, окружённый пылегазовой атмосферой (комой)

2. Вторгся большой рыхлый метеорит типа углистого хондрита

Несколько слов о головах комет и углистых хондритах. Голова кометы состоит из ядра и сильно разряжённой атмосферы (около 100 частиц/см 3 ). Ядро кометы - это конгломерат кусков льда, газа и пыли. Средняя плотность вещества ядра не превышает 1 г/см 3 , давление внутри ядра размером около 1 км 1000 дин/см 2 . Фрагменты ядра могут соединяться в нём лишь некоторыми частями, поэтому скреплены слабо, возможно отрывание отдельных частей под действием солнечной радиации. Так ,например, ядро кометы Веста в 1976 г . разделилось на четыре фрагмента. Фрагменты могут существовать как малые кометы. По химическому составу кометы в основном содержат воду, метан, ацетилен, углекислоту, водород, соединения углерода и азота с другими элементами

Углистые хондриты - это весьма редкий тип метеоритов, обнаруженных на Земле. Это каменные метеориты, содержащие повышенное количество углерода как свободного, так и связанного в угеводородах. В них, как правило, имеются газовые включения и гидросодержащие минералы. Цвет - угольно-чёрный или серочёрный. Содержание воды в них может доходить до 20% (связанная вода), плотность этих метеоритов не более 3 г/см 3 .Только наиболее плотные и крупные из них достигают поверхности Земли, большинство же рассеивается в атмосфере. Так произошло в 1965 г .   с метеоритом Ривелсток, упавшим над Канадой. Общая масса его оценивается в 4 тыс. т ,скорость входа около 12 км/с .Воздушные волны были зарегистрированы барографами за несколько тысяч километров от места падения, и общая энергия возмущения атмосферы оценена в 10-20 тыс. т тротила. Явление по мощности равно атомному взрыву над Херосимой

Воздушные волны были зарегистрированы на ближайшей сейсмостанции и организованы поиски вещества. Однако было найдено всего около грамма вещества на льду одного озера

Если бы космическое тело было гораздо больших размеров, чем метеорит Ривелсток, и было углистым хондритом, оно проникло бы гораздо глубже в атмосферу, и могла бы произойти катастрофа, аналогичная Тунгусской в смысле воздействия на земную поверхность

Как кометная, так и углисто-хондритная гипотезы удовлетворяют основному свойству Тунгусского космического тела: взрывной распад над поверхностью Земли при отсутствии выпадания значительных масс вещества. Как кометная,   так и углисто-хондритная гипотеза характерна тем, что в состав этих тел входит вода в состоянии льда, углерод и углеводороды. Все эти вещества могут либо испариться, либо сгореть в атмосфере. Кометная гипотеза более полно объясняет помутнение (запыление) атмосферы в период падения и после него, но зато падение углистых хондритов есть явление сравнительно обычное, а столкновение с ядром малой кометы - явление уникальное

Задача о распознавании природы падающего метеороида напоминает задачу об автоматизации проектирования летательных аппаратов, например гиперзвуковых самолётов. Нужно подобрать такие инструкционные и траекторные параметры, чтобы удовлетворить основным требованиям заказчика. Эта задача в принципе не имеет единственного решения в математическом смысле: возможны разные варианты, приводящие к одинаковым ответам. По-видимому, метеоритным задачам нужно придать вероятностный смысл, считать основные характеристики случайными величинами и находить распределения вероятностей

Арсеньев А.А., Самарский А.А. Что такое математическая физика

Седов Л.И. Очерки, связанные с основами механики и физики

Никольский С.М. Элементы математического анализа

Сворень Р.А. В просторы космоса, в глубины атома

Воронцов-Вельяминов Б.А.Очерки о вселенной

Горбацкий В.Г. Космические взрывы

Самарский А.А. Введение в численные методы

Лох У. Динамика и термодинамика спуска в атмосфере планет

Коробейников В.П. Задачи теории точечного взрыва

Захаров В.К., Севастьянов Б.А., Чистяков В.П. Теория вероятностей

Математическое моделирование. Сб. статей под ред. Дж.Эндрюс, Р.Мак-Лоун