Как рождается метеорит: ученые проследили путь космического камня через атмосферу

Что происходит с космическим камнем, когда он входит в атмосферу Земли и в итоге становится метеоритом? Изучив 75 падений метеоритов, запечатленных на видео и фотографиях, исследователи выделили семь последовательных этапов этого пути.

Оказалось, что главную роль в потере массы играют не простое испарение и «сгорание», а сначала плавление, а затем разрушение камня на части. Результаты исследования опубликованы в журнале Meteoritics & Planetary Science.

«Раньше мы считали, что твердые космические породы испаряются из-за огромного количества тепла и яркого свечения, возникающих при столкновении с воздухом, — говорит ведущий автор работы, астроном-метеорщик Питер Дженнискенс (Peter Jenniskens) из Института SETI и Исследовательского центра NASA имени Эймса. — Но выяснилось, что сначала камень начинает плавиться, а затем распадаться на части — именно эти процессы определяют, как он теряет массу».

Исследователи установили, что при прохождении атмосферы болид последовательно проходит семь этапов, причем на каждом из них преобладают свои физические процессы.

От метеора к болиду

Первый этап начинается высоко в атмосфере, когда воздух становится достаточно плотным, чтобы перед падающим космическим телом возникла ударная волна. Столкновения с молекулами воздуха нагревают и сам камень, и окружающий его газ — они начинают светиться. Именно это мы видим с Земли как метеор, или «падающую звезду».

По мере того как камень опускается в более плотные слои атмосферы, начинается второй этап. Метеор становится ярче. По периодическим изменениям яркости некоторых из них ученые смогли определить, что космические тела быстро вращаются. Самые быстро вращавшиеся объекты из исследованных делали полный оборот за 0,5–5 секунд.

На третьем этапе метеор резко увеличивает яркость и превращается в болид. Именно теперь плавление становится главным механизмом потери массы. Поток воздуха, с огромной скоростью обтекающий поверхность камня, срывает с нее расплавленное вещество. Оно отделяется в виде капель и продолжает испаряться.

Примерно на высоте 60 километров над Землей болид достигает четвертого этапа — устанавливается своеобразное равновесие между плавлением и поступлением тепла. Его яркость при этом остается примерно постоянной либо постепенно увеличивается. В результате одного только плавления космическое тело может потерять до 40% первоначальной массы.

Разрушение на пути к Земле

В более плотных слоях атмосферы давление возрастает, и камень начинает разрушаться. Так начинается пятый этап. Когда от него откалываются фрагменты, яркость болида может несколько раз резко возрастать.

Исследователи обнаружили, что разрушение начинается, когда давление воздуха перед космическим телом составляет всего около пятой части того давления, которое фиксировали для метеоритов, найденных на Земле. По мнению ученых, объяснить это можно повреждениями, которые камень получил еще в космосе: нагрев и трещины от предыдущих столкновений ослабляют его, поэтому разрушаться он начинает раньше, чем можно было бы ожидать.

Именно на этом этапе оставшийся фрагмент начинает быстро уменьшаться и заметно терять скорость. Чем сильнее он разрушается, тем быстрее происходит торможение.

Если задняя часть основного фрагмента остается целой, за ней образуется область пониженного давления. Она словно тянет за собой отколовшиеся частицы.

Когда задняя часть наконец разрушается, начинается шестой этап. Болид в последний раз ярко вспыхивает, а фрагменты разлетаются с большей скоростью относительно основного тела. Поскольку к этому моменту камень уже значительно замедлился, последние вспышки обычно имеют красный оттенок, а не ярко-зеленый, характерный для более ранних стадий.

До поверхности обычно добираются наиболее крупные фрагменты. Однако перед этим они успевают сильнее расплавиться и дополнительно расколоться, прежде чем потеряют достаточно скорости для безопасного падения.

На седьмом этапе плавление и разрушение продолжаются, пока последние фрагменты не замедлятся настолько, что перестанут светиться. Плавление прекращается, а на поверхности метеоритов остается тонкая оплавленная корка. На заключительном участке падения ветер может отклонить потемневшие фрагменты от первоначальной траектории.

Что метеориты могут рассказать о крупных астероидах

В исследовании рассматривались 75 падений метеоритов разных типов. Ученые смогли определить высоту, на которой каждый из этих материалов проходил через семь описанных этапов.

Наблюдая, как небольшие твердые космические тела разных типов замедляются в атмосфере, исследователи получили информацию и о том, что может происходить с более крупными астероидами — от размеров автомобиля до городского квартала, способными разрушаться прямо в атмосфере.

«Астероиды размером до нескольких десятков метров тоже представляют собой цельные каменные тела: они, как правило, вращаются быстрее крупных астероидов, состоящих из скопления обломков, — говорит Дженнискенс. — Астероид диаметром около 20 метров, который вызвал воздушный взрыв над Челябинском в 2013 году, прошел через те же стадии».

Недавно был создан онлайн-симулятор, Астрономы обнаружили новый космический объект — «звезду» с черной дырой, какие последствия вызовет падение астероида или кометы на тот или иной населенный пункт.