Метеорные явления в земной атмосфере

МЕТЕОРНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЕ.

Явление падения метеорных тел известно людям с незапамятных времён. Не имея возможности верно их описывать, люди приписывали этим явлениям мистические свойства. В старые времена падение метеора воспринималось как падение звезды. Считалось, что падение звезды символизирует смерть какого-то конкретного человека. Имела место и другая интерпретация данного явления, согласно которой замеченное человеком “падение звезды” могло сопровождаться загадыванием какого-либо желания, которое непременно должно исполниться.

В наше время вполне известна природа данного явления, которое представляет собой проникновение космического тела с очень большой (от 11 до 42 км/с) скоростью в верхние слои земной атмосферы, многие, возможно тысячелетия, блуждавшего в космическом пространстве. Ниже мы более детально постараемся рассмотреть процессы, сопровождающие подобные явления.

Падение метеорита.

Метеоритом называется тело, многие тысячи, а возможно и миллионы, лет блуждавшее по великим просторам Солнечной системы, а затем, по воле рока, повстречавшая на своём пути какую-либо планету или спутник, например, нашу Землю. Согласно закону сохранения и превращения энергии тело, встречающее на своём пути препятствие в виде земной атмосферы, должно испытывать на себе эффект торможения, сопровождающийся превращением кинетической энергии в энергию других видов: в данном случае тепловую энергию и энергию ионизации молекул атмосферы. Иными словами, при резком вторжении в слои земной атмосферы, молекулы последней, ударяясь о поверхность вторгшегося тела, под действием удара раскалываются на составляющие их атомы, которые, в свою очередь, бомбардируя поверхность метеорного тела, теряют из своих внешних оболочек, как минимум, по одному электрону, распадаясь при этом на положительно заряженные ионы и свободные электроны. Эта смесь ионов и электронов встречными потоками воздуха уносятся прочь от метеорного тела, образуя тем самым своего рода шлейф, состоящий из набора частиц, несущих заряд противоположного знака. Как известно, подобные частицы испытывают природное тяготение друг к другу. По этой причине они не могут оставаться в подобном состоянии слишком долго. Очень скоро электроны, испытывая на себе притяжение положительных ионов атмосферы Земли, будут ими притянуты и займут вакантные места во внешних оболочках ионизированных атомов, компенсируя, тем самым, избыточность их положительного заряда. Такое явление в физике называется явлением рекомбинации, которое, в данном случае, сопровождается излучением атомом порции электромагнитной волны оптического диапазона длин волн. Другими словами подобное явление (явление рекомбинации положительного иона) сопровождается кратковременной вспышкой света. Поскольку таких слабых и коротких вспышек очень много, то упомянутый выше шлейф, состоящий из электронов и положительных ионов и тянущийся за метеорным телом, становится видимым как светящийся след.

Наряду с описанным механизмом образования светящегося хвоста имеет место и другой эффект. Дело в том, что, не смотря на очень низкую плотность верхних слоёв атмосферы, из-за высокой скорости метеорного тела (от 11,2 км/с до 42 км/с) сила этого сопротивления достигает настолько большой величины, что уже на высоте 100-120 км тело разогревается до температуры в несколько тысяч градусов. Вещество метеоритного тела плавится и испаряется. Образующиеся при этом пары и жидкость подхватываются налетающими порывами воздуха и уносятся прочь, внося свой вклад в образование светящегося хвоста. Наблюдаемое при этом явление в виде “падающей звезды” называется метеором.

Таким образом, метеорные явления представляют собой явления, связанные с быстрым испарением метеиритного вещества и с ионизацией и последующей рекомбинацией ионов земной атмосферы в результате вторжения метеорита в её слои с большой скоростью. Если изначальная масса тела не велика (не более 0,1 мм), то оно полностью испаряется на высоте порядка 80-85 км., не долетая, таким образом до поверхности Земли.
В том случае, если начальная масса космического тела превышает 1 г, то явление принимает куда более грандиозные масштабы, чем описанные выше. Подобное явление называется падением болида. Схематично хронология падения показана на рисунке 1.
Падение болида.
Болидом называется частица размером от 1 мм и более, движущаяся в верхних слоях земной атмосферы с космической скоростью (порядка 11 - 72 км/с). Начальный момент возможности визуального наблюдения болида определяется моментом появления свечения, что происходит на высоте тела порядка 100 - 120 км. На высоте 60 -80 км, которой болид достигает всего за 1-2 с, наступает нарастающее уплотнение воздуха, что создаёт ударную волну, вызывающую грохот, гул и прочие звуковые эффекты, определяемые, прежде всего, скоростью падения тела и его формой.
Высота порядка 10 - 20 км определяет, так называемую, область задержки, когда тело практически полностью затормаживается, а нагревание прекращается и болид визуально исчезает. Начиная с этой высоты, траектория полёта тела становится почти вертикальной. Застывший на его поверхности ранее расплавленный слой толщиной 0,1 - 1 мм называется корой плавления. После области задержки падение тела сопровождается жужжанием и свистом, напоминающим падение авиабомбы. Некоторое время после области задержки тело продолжает падать с некоторым ускорением, после чего его скорость устанавливается постоянной от десятков метров до нескольких сотен метров в секунду (в зависимости от массы тела и обтекаемости его формы).
Из-за неправильной формы метеорное тело при падении “кувыркается”, что приводит к резкому изменению режима обтекания тела ударной волной. В результате давление воздуха на разные участки тела изменяется в очень широких пределах. Это приводит к разрушению тела и образованию нескольких осколков, каждый из которых, испытывая на себе те же процессы, при дальнейшем падении также может разрушиться на ещё более мелкие части. В результате образуется целый метеоритный дождь и в месте падению собирают десятки, сотни, а иногда и тысячи, метеоритов. Выпадающие на поверхность планеты метеориты массой десятки и сотни килограммов оставляют после себя следы в виде ям размерами, немногим превосходящие собственные. Метеориты же массой, менее нескольких, килограммов оставляют лишь неглубокие лунки, а совсем мелкие и вовсе остаются на поверхности.
Метеоритные дожди рассеиваются по земной поверхности на участке, имеющем примерно эллиптическую форму. Площадь этого участка называется эллипсом рассеяния. Отдельные метеориты в эллипсе рассеяния называются индивидуальными экземплярами, причём в головной (передней) зоне эллипса рассеяния выпадают наиболее крупные индивидуальные экземпляры, а в тыловой его зоне – мелкие (рис. 2). Это объясняется тем, что крупные осколки способны дольше сохранять свою скорость и, следовательно, проходить больший путь, чем мелкие. Однако, часто имеет место исключение: среди крупных воронок встречаются и мелкие. Это происходит из-за того, что некоторые крупные осколки дробятся уже на небольшой высоте, в результате чего их мелкие части не успевают изменить свою траекторию настолько, чтобы выпасть в тыловой зоне эллипса рассеяния.
Судя по сразу подобранным после падения метеоритам, они достигают земли тёплыми, т. к. за несколько секунд нагревания не успевают прогреться как следует. Зона прогрева составляет всего несколько миллиметров у каменных метеоритов и до немногим больше сантиметра - у железных. Внутри же метеорита его температура в течение всего времени остаётся такой же, какой она была перед самым вторжением тела в атмосферу Земли. Исключение составляют метеориты массой в десятки и сотни тысяч тонн! Такие тела по достижении поверхности планеты обладают космической скоростью, вследствие чего переход их кинетической энергии в тепловую при столкновении с поверхностью Земли приводит к выделению колоссального количества тепла. В результате всё метеоритное тело нагревается настолько, что не только часть его собственного вещества, но и часть земного грунта, испаряются и превращаются в очень сильно нагретый газ. Естественно, что такое событие сопровождается мощным взрывам, после которого остаются не просто ямы, как в случает падения метеоритов массой всего сотню килограммов, а целые кратеры, диаметр которых значительно превышает диаметр метеоритного тела.