Тепловi вибухи метеородiв у земнiй атмосферi

МРЖНРЖСТЕРСТВО ОСВРЖТИ ТА НАУКИ УКРАРЗНИ

ЛУБЕНСЬКА ЗАГАЛЬНООСВРЖТНЯ ШКОЛА № 1 РЖ-РЖРЖРЖ СТУПЕНРЖВ

РЕФЕРАТ

ТЕМА:

Тепловi вибухи метеороiдiв у земнiй атмосферi

Виконала: учениця 11-Б класу

Савченко Свiтлана

Лубни 2010

Вступ

Спершу потрiбно дати визначення метеороiдам, як космiчним тiлам. Як вiдомо, всi подiбнi тiла вважаються малими тiлами Сонячноi системи. Свiтнi тiла, що входять в атмосферу на великiй швидкостi та видимi неозброiним оком або за допомогою оптичних приладiв, називають метеорами. Коли ж тiло метеора повнiстю не згоряi в земнiй атмосферi i падаi на поверхню планети тАУ його називають метеоритом. Метеороiдами вважають метеороподiбнi тiла, якi можуть вибухати ще в земнiй атмосферi, не досягнувши поверхнi Землi.

Як правило, метеороiди являють собою уламки астероiдiв, фрагменти комет, та iнше. Досягають орбiти Землi з вiдомого поясу астероiдiв, що розташований мiж орбiтами Марса та Юпiтера, з поясу Койпера, що знаходиться за орбiтою Нептуна. Кометнi метеороiди можуть бути уламками комет сiмейства Юпiтера та iнших планет-гiгантiв.

Розпiзнати метеороiд в атмосферi землi не так просто, як здаiться на перший погляд. Для цього органiзовують рiзнi служби реiстрацii цих, такi як Мiжнародна Кометна Служба. Багато наземних обсерваторiй ведуть пошук та реiстрацiю метеороподiбних обтАЩiктiв. Також космiчнi краiни, зокрема Росiя i США, органiзовують пошук та дослiдження метеороподiбних тiл з геостацiонарних орбiт.

Реiстрацiя вибухiв

На сьогоднi зареiстровано неабияку кiлькiсть вибухiв великих метеороiдiв в атмосферi Землi. Для реiстрацii таких явищ використовують як наземнi оптичнi установки (у першу чергу тi, що належать до РДвропейськоi болiдноi мережi тАФ EN), так i спецiальнi прилади з фотодiодами, установленi на геостацiонарних супутниках США. Наведiмо сiм випадкiв знайдених метеоритiв тАФ залишкiв космiчних тiл, яскравi болiди яких були зареiстрованi наземними установками i для яких визначено точнi топо-, гео- та гелiоцентричнi орбiти: квiтень 1959 p., Чехословаччина; сiчень 1970 p., США; лютий 1977 p., Канада; жовтень 1992 p., США; сiчень 2000 p., Канада; травень 2000 p., Чехiя; листопад 2001 p., Украiна.

Останнiй у цьому списку тАФ болiд, що маi позначення EN171101. Його проспостерiгали двi словацькi й три чеськi фотографiчнi установки. Усi вони входять як складовi в РДвропейську болiдну мережу. Болiд зареiстровано на загальнiй довжинi його шляху понад 106 км. Вiн був утворений космiчним тiлом масою 4300 кг. яке ввiйшло в атмосферу десь над РЖвано-Франкiвськом зi швидкiстю 18.5 км/с. Болiд пролетiв над Карпатами, яскраво освiтивши iх. У момент потужного спалаху (теплового вибуху) на висотi 13 км його абсолютна зоряна величина становила тАФ 18.5. Це було вже в Закарпаттi, в районi села Тур'i Ремети. Залишки тiла (за оцiнками тАФ 370 кг) розвалилися на декiлька фрагментiв. За розрахунками колег iз Чехii та Словаччини [13], на поверхнi Землi в околицi села Тур'я Пасека перебувають два-три найбiльших (можливо, до ста кiлограмiв кожний) метеорити, якi не знайдено до цього часу.

А тепер про iнший вибух. Понад 100 рокiв тому, 30 червня 1908 р., в Красноярському краi поблизу рiчки Пiдкам'яна Тунгуска (притока РДнiсею) на висотi 5тАФ7 км вiдбувся потужний вибух космiчного тiла, який було чути на вiдстанях понад 1000 км. Перед цим на великiй територii тАФ вiд берегiв РДнiсею на заходi до Вiтiма на сходi, тобто протяжнiстю бiля 1500 км тАФ спостерiгали слiпучу вогняну кулю-болiд з довгим пиловим хвостом. Це явище назвали Тунгуським метеоритом. Горiла тайга, а спричинена вибухом ударна хвиля повалила дерева на площi радiусом понад 40 км. Сейсмiчнi хвилi, утворенi вибухом, двiчi обiгнули земну кулю i були зареiстрованi у Копенгагенi, Загребi, Вашингтонi, Лондонi, Потсдамi та в iнших мiстах.

На пiдставi аналiзу барограми, отриманоi в Потсдамському геофiзичному iнститутi, академiк В.Г. Фесенков [7] визначив швидкiсть поширення повiтряноi хвилi (317.9 м/с) i висоту вибуху (5.3 км). У цiй же роботi вiдмiчено, що точно такою ж виявилась i швидкiсть повiтряноi хвилi, яку з аналiзу барограм iнших станцiй отримали вiдомi дослiдники РЖгор Астапович i Фред Уiппл. Як пише В.Г. Фесенков [8], Вллише тi хвилi могли обiйти всю земну кулю, якi продовжували рухатися на однiй i тiй же висотi, що дорiвнюi висотi вибухуВ».

Якихось залишкiв космiчного прибульця (метеоритiв) на поверхнi грунту не знайшли, хiба що були виявленi дуже дрiбнi частинки позаземного походження. Треба зауважити, що поняття метеорит часто вживаiться, у першу чергу в популярнiй лiтературi, неправильно. Метеорит тАФ це залишок космiчного тiла, який знаходять на поверхнi планети або в ii поверхневому шарi. Метеорити не падають i не лiтають, як часто пишуть i говорять, тАФ iх знаходять.

На поверхнi Мiсяця та в його поверхневому шарi метеоритiв немаi: усi космiчнi тiла, якi стикаються з нашим природним супутником, iнтенсивно гальмуються у поверхневому шарi та вибухають, утворюючи вибуховi кратери, бо швидкiсть падiння перевищуi 4тАФ5 км/с. (РЖз енергетичних мiркувань випливаi, що питома кiнетична енергiя за швидкостi 4тАФ5 км/с перевищуi питому енергiю, яка потрiбна для випаровування речовини). Такi тiла можуть залишати лише мiкрометеорити (дрiбнi фрагменти космiчних тiл) або тi, що утворилися в процесi конденсацii вибухових випаровувань. На нашiй же планетi знаходимо метеорити, бо земна атмосфера i сприятливим чинником для окремих космiчних тiл, великих за розмiром i зi швидкiстю входження, як правило, до 25 км/с.

Тунгуський болiд не залишив метеоритiв тому, що це було кометне тiло. Такi структури являють собою роi дрiбних пилових частинок, слабо зв'язаних мiж собою замороженими водою та вуглекислотою, i мають середню густину, що не перевищуi густину звичайноi води. Тому вони iнтенсивно руйнуються i подрiбнюються пiд час польоту через атмосферу. Тунгуське тiло (початкова маса тАФ приблизно 2В·10⁶ т, швидкiсть пiд час входження в атмосферу, за оцiнками, тАФ 31 км/с) на своiму шляху до вибуху пройшло бiля 200 км i втратило сотнi тисяч тонн своii маси, яка перетворилася на дрiбний пил. Рознесений вiтрами, вiн призвiв до того, що перша нiч пiсля Тунгуського явища по всiй РДвропi була надзвичайно свiтла. Навiть серед ночi на пiвднi, наприклад на Кавказi, можна було читати без штучного освiтлення. У цю нiч В. Г. Фесенков не змiг провести астрономiчнi спостереження в Ташкентськiй обсерваторii, бо темнота так i не настала.

Вiдомо, що високий аеродинамiчний тиск, який дii на поверхню космiчних тiл пiд час руху в атмосферi, бiльший за мiцнiсть усiх можливих матерiалiв. Як показано в роботi [1], подрiбнена внаслiдок цього речовина ВлрозтiкаiтьсяВ», подiбно рiдинi, та швидко гальмуiться, так що за дуже короткий час ii кiнетична енергiя передаiться невеликому об'iму повiтря перед тiлом, стискуючи та нагрiваючи його до кiлькох десяткiв тисяч градусiв. Наслiдок такого процесу тАФ тепловий вибух, потужнiсть якого визначаiться переданою кiнетичною енергiiю.

У якiй же точцi траiкторii болiда вiдбуваiться тепловий вибух i спалах блиску?

На пiдставi аналiзу таких феноменiв, як Тунгуський, Сiхоте-Алiнський, Стерлiтамацький [4, 5] й iн., ми вперше висловили припущення [11], що тепловi вибухи великих метеороiдiв в атмосферi планети i, як наслiдок, спалахи блиску вiдбуваються на висотах максимального гальмування тiл. Цю iдею ми пiдтвердили пiд час вивчення руйнування фрагментiв ядра комети ШумейкертАФЛевi 9 в атмосферi Юпiтера [11, 12]. При цьому основним аргументом було добре узгодження обчисленого за теоретичною моделлю часу виходу плюму на ВлповерхнюВ» Юпiтера з даними прямих реiстрацiй космiчними апаратами. (Пiд поняттям ВлповерхняВ» Юпiтера ми розумiли глибину в його атмосферi, де вже утворювалася ударна хвиля пiд час входження космiчного тiла.)

Незалежним пiдтвердженням розрахованоi нами глибини вибуху, визначеноi за умови максимального гальмування кометного фрагмента дiаметром 1 км в атмосферi Юпiтера, стала робота [9]. У нiй глибина вибуху, яка збiглася з нашою, була визначена на зовсiм iншiй пiдставi тАФ з аналiзу результатiв вимiрювань випромiнювання молекул, якi виникли внаслiдок вибуху та були винесенi у верхню атмосферу Юпiтера.

Пiсля теплового вибуху метеороiда в атмосферi Землi, як правило, на поверхню планети випадають його залишки-фрагменти, якi утворюють ударнi кратери. Тепловi вибухи в атмосферi Землi створюють i монолiтнi (кам'янi чи залiзнi), i кометнi тiла. Наведене твердження про залишки-фраТСменти стосуiться монолiтних тiл з масою, яка не перевищуi 400 т, бо бiльшi космiчнi тiла проходять атмосферу практично без утрати маси та швидкостi й вибухають на поверхнi Землi. Вони утворюють вибуховi кратери, не залишаючи метеоритiв, бо вся iхня речовина (частково i навколишня) випаровуiться в процесi вибуху. До таких належить i космiчне тiло, що утворило Аризонський кратер (США) дiаметром 1200 м, завглибшки 175 м, а маса цього тiла приблизно така ж, як i маса Тунгуського тiла тАФ 1 млн. т. Частота падiнь на Землю таких тiл, як кометне Тунгуське чи монолiтне (залiзне) Аризонське, згiдно з нашою iнтегральною функцiiю припливу космiчних тiл на Землю [6], становить приблизно один раз за 1300 рокiв. Доплив космiчноi речовини на Землю за рiк тАФ 140 тис. т, щороку на Землю падаi близько 800 метеоритiв. Найбiльше тiло, що входить в атмосферу нашоi планети протягом року, маi масу 100 т.

Спецiальна оптична апаратура на американських геостацiонарних супутниках зареiструвала з лютого 1994 р. до вересня 2002 р. понад 300 вибухiв-спалахiв метеороiдiв у земнiй атмосферi. На основi аналiзу опублiкованих результатiв [10] ми виявили, що вибух метеороiда над Середземним морем (6 червня 2002 р.) з великою iмовiрнiстю був утворений кометним тiлом, бо його початкова маса дорiвнюi приблизно 700 т, а енергiя спалаху становить 26 кт тринiтротолуолу. Авторiв статтi [10], судячи з усього, не цiкавило питання, на яких висотах вiдбуваються тепловi вибухи, ними опрацьованi, бо енергiю вибуху, а значить, i масу за вибраноi швидкостi входження тiла в атмосферу вони прирiвнювали до початковоi. Треба було врахувати втрату маси за час руху тiла до вибуху. Опрацювавши бiльш коректно результати вже згаданоi роботи [10], ми й дiйшли висновку, що таке тiло, якщо воно було б монолiтним (кам'яним або залiзним), пройшло б нашу атмосферу без спалаху: висота його максимального гальмування мiститься нижче (формально) поверхнi Середземного моря. На мiй лист з цього приводу до одного з авторiв роботи тАФ Д.О. Ревелле (D.O. ReVelle) вiдповiдi не надiйшло.

Спалах блиску вiдбуваiться на невеликому iнтервалi висот, значно меншому за висоту однорiдноi атмосфери. Утрата тiлом енергii на гальмування за цей час перевищуi енергiю, яка потрiбна для повного випаровування всього тiла. Тому можна вважати вибух точковим i застосовувати вiдому теорiю вибуху в середовищi з експоненцiально-змiнною густиною [2, 3]. Вiдповiдно до цiii теорii швидкiсть поширення вибуховоi хвилi в неоднорiднiй атмосферi залежить вiд напрямку: коли вона перемiщуiться вниз, у напрямку найвищого можливого збiльшення густини атмосфери, то ii швидкiсть сповiльнюiться, а енергiя максимально зменшуiться; коли хвиля перемiщуiться вертикально вгору, у напрямку максимального зменшення густини, то вона прискорюiться i за обмежений час ВлпрориваiВ» атмосферу. Вибухова хвиля поширюiться вниз на вiдстань не бiльше вiд 2Н, у перпендикулярному напрямку на висотi вибуху тАФ на вiдстань приблизно 3.5Н* (Н* тАФ висота однорiдноi атмосфери). Далi поширюiться пружна, або звукова, хвиля. Таким чином, якщо тепловий вибух метеороiда вiдбудеться на висотi бiльшiй за 15 км, то до поверхнi Землi вибухова хвиля не дiйде.

Лiтература

1.ВаВаВаВа Григорян С.С. О движении и разрушении метеоритов в атмосферах планет// Космич. исслед. тАФ 1979. тАФ 17, № 6. тАФ С. 875тАФ893.

2.ВаВаВаВа Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и високотемпературних гидродинамических явлений. тАФ ML: Наука, 1966. тАФ 688 с.

З Компанеец А.С. Точечный взрыв в неоднородной атмосфере // ДАН СССР. - 1960. - 130, № 5. - С. 1001-1003.

4.Кручиненко В.Г. Определение физических характеристик мете-оритообразующего тела Стерлитамак // Астрон. вестн. тАФ 1992. тАФ 26, №4. тАФ С. 104-112.

5.Кручиненко В.Г. Анализ изменения физических характеристик метеоритообразующего тела Стерлитамак вдоль пути // Астрон. вестн. - 1993. - 27, № 6. - С. 87-94.

6.Кручиненко В.Г. Приток космических тел на Землю в широком интервале масс // Кинематика и физика небес, тел. тАФ 2002. тАФ 18, № 2. тАФ С. 114-127.

7.Фесенков В.Г. О воздушной волне, произведенной падением Тун-гусекого метеорита 1908 г. // Метеоритика. тАФ 1959. тАФ Вып. 17. тАФ С. 3тАФ7.

8. Фесенков В.Г. О кометной природе Тунгусского метеорита // Астрон. журн. - 1961. - 38, № 4. - С. 577-592.

9. BerezhnoiA.A., Shevchenko V.V., Klumov B.A., Fortov V.E. Collision of

a comet with Jupiter: Determination of fragment penetration depths in the molec ular spectra // Pis'ma Zh. Eksp. Teor. Fiz. - 1996. - 63, № 6. - P. 387 - 391. (1996 American Institute of Physics. [S0021-3640(96)00106-5]).

10.Brown P., Spalding R.E., ReVelle D.O., et al. The flux of small near-Earth objects colliding with the Earth // Nature. - 2002. тАФ 420.тАФ P. 314тАФ316.

11.Kruchynenko V.G. The Explosion in the Jupiter Atmosphere // Proc. of European SL/Jupiter Workshop/ Eds.: R.West and H.Bohnhard. -1995. -P. 287тАФ292.

12.Kruchynenko V.G. The collision of the comet ShoemakerтАФLevy 9 with Jupiter//Astron. and Astrophys.Transactions. тАФ 1997. тАФ 13.тАФ P. 191 тАФ 197.

13.Spurny P. and Porubcan V. // Proc. of Asteroids, Comets, Meteors (ACM 2002). 29 July тАФ 2 August 2002. Technical University, Berlin. Germany (ESA - 500). - Nov. 2002. - P. 269-272.

Вместе с этим смотрят:

Aerospace industry in the Russian province

РЖсторiя ракетобудування Украiни

Авиационно-космические отрасли в российской провинции

Атомы и молекулы

Биология в школе, наука и идеология