Теплові вибухи метеороїдів у земній атмосфері

В. Г. Кручиненко

доктор фізико-математичних наук, професор

Астрономічна обсерваторія Київського національного університету імені Тараса Шевченка

Teplovi vybukhy meteoroidiv Астронавт NASA Рон Ґаран (Ron Garan) зробив цю світлину з Міжнародної космічної станції у ніч максимуму метеорного потоку Персеїди 13 серпня 2011 р. Фото з сайту www.space.com.

На сьогодні зареєстровано неабияку кількістьвибухів великих метеороїдів в атмосфері Землі. Для реєстрації таких явищ використовують як наземні оптичні установки (у першу чергу ті, що належать до Європейської болідної мережі — EN), так і спеціальні прилади з фотодіодами, установлені на геостаціонарних супутниках США. Наведімо сім випадків знайдених метеоритів — залишків космічних тіл, яскраві боліди яких були зареєстровані наземними установками і для яких визначено точні топо-, гео- та геліоцентричні орбіти:

квітень 1959 р., Чехословаччина;

січень 1970 р., США;

лютий 1977 р., Канада;

жовтень 1992 р., США;

січень 2000 р., Канада;

травень 2000 р., Чехія;

листопад 2001 р., Україна.

Останній у цьому списку — болід, що має позначення EN171101. Його проспостерігали дві словацькійтри чеські фотографічні установки. Усі вони входять як складові в Європейську болідну мережу. Болід зареєстровано на загальній довжині його шляху понад 106 км. Він був утворений космічним тілом масою 4300 кг, яке ввійшло в атмосферу десь над Івано-Франківськом зі швидкістю 18.5 км/с. Болід пролетів над Карпатами, яскраво освітивши їх. У момент потужного спалаху (теплового вибуху) на висоті 13 км його абсолютна зоряна величина становила -18.5 зоряної величини. Це було вже в Закарпатті, в районі села Тур’ї Ремети. Залишки тіла (за оцінками — 370 кг) розвалилися на декілька фраґментів. За розрахунками колег із Чехії та Словаччини [13], на поверхні Землі в околиці села Тур’я Пасека перебувають два-три найбільших (можливо, до ста кілограмів кожний) метеорити, які не знайдено до цього часу.

А тепер про інший вибух. Понад 100 років тому, 30 червня 1908 р., в Красноярському краї поблизу річки Підкам’яна Тунгуска (притока Єнісею) на висоті 5—7 км відбувся потужний вибух космічного тіла, який було чути на відстанях понад 1000 км. Перед цим на великій території — від берегів Єнісею на заході до Вітіма на сході, тобто протяжністю біля 1500 км — спостерігали сліпучу вогняну кулю-болід з довгим пиловим хвостом. Це явище назвали Тунгуським метеоритом. Горіла тайга, а спричинена вибухом ударна хвиля повалила дерева на площі радіусом понад 40 км. Сейсмічні хвилі, утворені вибухом, двічі обігнули земну кулю і були зареєстровані у Копенгаґені, Загребі, Вашингтоні, Лондоні, Потсдамі та в інших містах.

На підставі аналізу барограми, отриманої в Потсдамському геофізичному інституті, академік В.Г. Фесенков [7] визначив швидкість поширення повітряної хвилі (317.9 м/с) і висоту вибуху (5.3 км). У цій же роботі відмічено, що точно такою ж виявилась і швидкість повітряної хвилі, яку з аналізу барограм інших станцій отримали відомі дослідники Ігор Астапович і Фред Уїппл. Як пише В.Г. Фесенков [8], «лише ті хвилі могли обійти всю земну кулю, які продовжували рухатися на одній і тій же висоті, що дорівнює висоті вибуху».

Якихось залишків космічного прибульця (метеоритів) на поверхні ґрунту не знайшли, хіба що були виявлені дуже дрібні частинки позаземного походження. Треба зауважити, що поняття метеорит часто вживається, у першу чергу в популярній літературі, неправильно. Метеорит — це залишок космічного тіла, який знаходять на поверхні планети або в її поверхневому шарі. Метеорити не падають і не літають, як часто пишуть і говорять, — їх знаходять.

На поверхні Місяця та в його поверхневому шарі метеоритів немає: усі космічні тіла, які стикаються з нашим природним супутником, інтенсивно гальмуються у поверхневому шарі та вибухають, утворюючи вибухові кратери, бо швидкість падіння перевищує 4-5 км/с. (Із енергетичних міркувань випливає, що питома кінетична енергія за швидкості 4-5 км/с перевищує питому енергію, яка потрібна для випаровування речовини). Такі тіла можуть залишати лише мікрометеорити (дрібні фраґменти космічних тіл) або ті, що утворилися в процесі конденсації вибухових випаровувань. На нашій же планеті знаходимо метеорити, бо земна атмосфера є сприятливим чинником для окремих космічних тіл, великих за розміром і зі швидкістю входження, як правило, до 25 км/с.

Тунгуський болід не залишив метеоритів тому, що це було кометне тіло. Такі структури являють собою рої дрібних пилових частинок, слабо зв’язаних між собою замороженими водою та вуглекислотою, і мають середню густину, що не перевищує густину звичайної води. Тому вони інтенсивно руйнуються і подрібнюються під час польоту через атмосферу. Тунгуське тіло (початкова маса — приблизно 2×10⁶ т, швидкість під час входження в атмосферу, за оцінками, — 31 км/с) на своєму шляху до вибуху пройшло біля 200 км і втратило сотні тисяч тонн своєї маси, яка перетворилася на дрібний пил. Рознесений вітрами, він призвів до того, що перша ніч після Тунгуського явища по всій Європі була надзвичайно світла. Навіть серед ночі на півдні, наприклад на Кавказі, можна було читати без штучного освітлення. У цю ніч В.Г. Фесенков не зміг провести астрономічні спостереження в Ташкентській обсерваторії, бо темнота так і не настала.

Відомо, що високий аеродинамічний тиск, який діє на поверхню космічних тіл під час руху в атмосфері, більший за міцність усіх можливих матеріалів. Як показано в роботі [1], подрібнена внаслідок цього речовина «розтікається», подібно рідині, та швидко гальмується, так що за дуже короткий час її кінетична енергія передається невеликому об’єму повітря перед тілом, стискуючи та нагріваючи його до кількох десятків тисяч градусів. Наслідок такого процесу — тепловий вибух, потужність якого визначається переданою кінетичною енергією.

У якій же точці траєкторії боліда відбувається тепловий вибух і спалах блиску?

На підставі аналізу таких феноменів, як Тунгуський, Сіхоте-Алінський, Стерлітамацький [4, 5] й ін., ми вперше висловили припущення [11], що теплові вибухи великих метеороїдів в атмосфері планети і, як наслідок, спалахи блиску відбуваються на висотах максимального гальмування тіл. Цю ідею ми підтвердили під час вивчення руйнування фраґментів ядра комети Шумейкер—Леві 9 в атмосфері Юпітера [11, 12]. При цьому основним аргументом булодобре узгодженняобчисленого за теоретичною моделлючасу виходуплюму на «поверхню» Юпітера з даними прямих реєстрацій космічними апаратами. (Під поняттям «поверхня» Юпітера ми розуміли глибину в його атмосфері, де вже утворювалася ударна хвиля під час входження космічного тіла.)

Незалежним підтвердженням розрахованої нами глибини вибуху, визначеної за умови максимального гальмування кометного фраґмента діаметром 1 км в атмосфері Юпітера, стала робота [9]. У ній глибина вибуху, яка збіглася з нашою, була визначена на зовсім іншій підставі — з аналізу результатів вимірювань випромінювання молекул, які виникли внаслідок вибуху та були винесені у верхню атмосферу Юпітера.

Після теплового вибуху метеороїда в атмосфері Землі, як правило, на поверхню планети випадають його залишки-фраґменти, які утворюють ударні кратери. Теплові вибухи в атмосфері Землі створюють і монолітні (кам’яні чи залізні), і кометні тіла. Наведене твердження про залишки-фраґменти стосується монолітних тіл з масою, яка не перевищує 400 т, бо більші космічні тіла проходять атмосферу практично без утрати маси та швидкості й вибухають на поверхні Землі. Вони утворюють вибухові кратери, не залишаючи метеоритів, бо вся їхня речовина (частково і навколишня) випаровується в процесі вибуху. До таких належить і космічне тіло, що утворило Аризонський кратер (США) діаметром 1200 м, завглибшки 175 м, а маса цього тіла приблизно така ж, як і маса Тунгуського тіла — 1 млн т. Частота падінь на Землю таких тіл, як кометне Тунгуське чи монолітне (залізне) Аризонське, згідно з нашою інтегральною функцією припливу космічних тіл на Землю [6], становить приблизно один раз за 1300 років. Доплив космічної речовини на Землю за рік — 140 тис. т, щороку на Землю падає близько 800 метеоритів. Найбільше тіло, що входить в атмосферу нашої планети протягом року, має масу 100 т.

Спеціальна оптична апаратура на американських геостаціонарних супутниках зареєструвала з лютого 1994 р. до вересня 2002 р. понад 300 вибухів-спалахів метеороїдів у земній атмосфері. На основі аналізу опублікованих результатів [10] ми виявили, що вибух метеороїда над Середземним морем (6 червня 2002 р.) з великою імовірністю був утворений кометним тілом, бо його початкова маса дорівнює приблизно 700 т, а енергія спалаху становить 26 кт тринітротолуолу. Авторів статті [10], судячи з усього, не цікавило питання, на яких висотах відбуваються теплові вибухи, ними опрацьовані, бо енергію вибуху, а значить, і масу за вибраної швидкості входження тіла в атмосферу вони прирівнювали до початкової. Треба було врахувати втрату маси за час руху тіла до вибуху. Опрацювавши більш коректно результати вже згаданої роботи [10], ми й дійшли висновку, що таке тіло, якщо воно було б монолітним (кам’яним або залізним), пройшло б нашу атмосферу без спалаху: висота його максимального гальмування міститься нижче (формально) поверхні Середземного моря. На мій лист з цього приводу до одного з авторів роботи — Д.О. Ревелле (D.O. ReVelle) відповіді не надійшло.

Спалах блиску відбувається на невеликому інтервалі висот, значно меншому за висоту однорідної атмосфери. Утрата тілом енергії на гальмування за цей час перевищує енергію, якапотрібна для повного випаровування всього тіла. Тому можна вважативибух точковим і застосовувати відому теорію вибуху в середовищі з експоненціально-змінноюгустиною [2, 3]. Відповідно до цієї теорії швидкість поширення вибухової хвилі в неоднорідній атмосфері залежить від напрямку: коли вона переміщується вниз, у напрямку найвищого можливого збільшення густини атмосфери, то її швидкість сповільнюється,а енергія максимально зменшується; коли хвиля переміщується вертикально вгору, у напрямку максимального зменшення густини, то вона прискорюється і за обмежений час «прориває» атмосферу. Вибухова хвиля поширюється вниз на відстань не більше від 2Н*, у перпендикулярному напрямку на висоті вибуху — на відстань приблизно 3.5Н* (Н* — висота однорідної атмосфери). Далі поширюється пружна,або звукова, хвиля. Таким чином, якщо тепловий вибух метеороїда відбудеться на висоті більшій за 15 км, то до поверхні Землі вибухова хвиля не дійде.

Література

Григорян С.С. О движении и разрушении метеоритов в атмосферах планет // Космич. исслед. – 1979. – 17, № 6. – С. 875–893.
Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. – M.: Наука, 1966. – 688 с.
Компанеец А.С. Точечный взрыв в неоднородной атмосфере // ДАН СССР. – 1960. – 130, № 5.― С. 1001–1003.
Кручиненко В.Г. Определение физических характеристик метеоритообразующего тела Стерлитамак // Астрон. вестн. – 1992. – 26, № 4. – C. 104–112.
Кручиненко В.Г. Анализ изменения физических характеристик метеоритообразующего тела Стерлитамак вдоль пути // Астрон. вестн.– 1993. – 27, № 6. – C. 87–94.
Кручиненко В.Г. Приток космических тел на Землю в широком интервале масс // Кинематика и физика небес. тел. – 2002. – 18, № 2. – С. 114–127.
Фесенков В.Г. О воздушной волне, произведенной падением Тунгусского метеорита 1908 г. // Метеоритика. – 1959. – Вып. 17. – С. 3–7.
Фесенков В.Г. О кометной природе Тунгусского метеорита // Астрон. журн. – 1961. – 38, № 4. – С. 577–592.
Berezhnoi A.A., Shevchenko V.V., Klumov B.A., Fortov V.E. Collision of a comet with Jupiter: Determination of fragment penetration depths the molecular spectra // Pis’ma Zh. Eksp. Teor. Fiz. – 1996. – 63, № 6. – P. 387 – 391. (1996 American Institute of Physics. [S0021-3640(96)00106-5]).
Brown P., Spalding R.E., ReVelle D.O., et al. The flux of small near-Earth objects colliding with the Earth // Nature. – 2002. – 420. – P. 314–316.
Kruchynenko V.G. The Explosion in the Jupiter Atmosphere // Proc. of European SL/Jupiter Workshop / Eds R.West and H.Bohnhard. – 1995. – P. 287–292.
Kruchynenko V.G. The collision of the comet Shoemaker—Levy 9 with Jupiter // Astron. and Astrophys.Transactions. – 1997. – 13. – P. 191–197.
Spurny P. and Porubčan V. // Proc. of Asteroids, Comets, Meteors (ACM 2002). 29 Julу – 2 August 2002. Technical University, Berlin. Germany (ESA – 500). – Nov. 2002. – P. 269–272.