Що відбувається з космічним каменем, коли він падає через атмосферу Землі та стає метеоритом? Дослідники вивчили 75 падінь метеоритів, зафіксованих на відео та фото, і виділили сім різних етапів у подорожі від космічного каменю до метеорита. Результати дослідження показують, що плавлення та розпад, а не просто випаровування та «згоряння», визначають, як камінь втрачає масу, сповільнюється і врешті-решт досягає Землі.
Сім стадій утворення метеоритів
Раніше науковці думали, що тверді породи випаровуються від величезного тепла та яскравого світла, що утворюється під час зіткнень із повітрям. Натомість вони виявили, що спершу плавлення, а потім фрагментація визначають, як камінь втрачає масу. Команда з’ясувала, що вогняна куля проходить сім стадій, рухаючись через атмосферу Землі. Кожна стадія формується різними фізичними процесами. Про це розповідає сайт phys.org.
Фаза 1 починається високо в атмосфері, коли повітря достатньо щільне, щоб створити ударну хвилю перед падаючою породою. Зіткнення з молекулами повітря нагрівають камінь і навколишній газ, поки вони не засвітяться. Це те, що ми бачимо як метеор або зорю, що падає.
Коли камінь падає у густіше повітря, починається друга фаза, і метеор стає яскравішим. Деякі метеори показують, що камінь обертається швидко, змінюючи яскравість у регулярному порядку. Найшвидші обертові камені в дослідженні робили повний оберт кожні 0,5–5 секунд.
На фазі 3 метеор стає значно яскравішим і перетворюється на вогняну кулю. Дослідники виявили, що тепер плавлення спричиняє більшість втрати маси породи. Швидкий потік повітря зриває розплавлений матеріал із поверхні, залишаючи краплі, які продовжують випаровуватись.
Приблизно за 60 км (приблизно 40 миль) над Землею вогняна куля досягає 4 фази, встановлюючи рівновагу плавлення. Її яскравість залишається такою ж або зростає рівномірно. Камінь врешті-решт може втратити до 40 % своєї маси лише через плавлення.
Розпадаючись на шляху вниз
Глибше в атмосфері вищий тиск змушує камінь розпадатися, починаючи фазу 5. Вогняна куля може кілька разів спалахувати, коли її частини відламуються.
Дослідники виявили, що камені починають розпадатися, коли тиск повітря перед ними становить лише близько однієї п’ятої від міцності, виміряної у метеоритах, знайдених на Землі. Науковці припускають, що тепло та тріщини, отримані під час попередніх зіткнень у космосі, можуть пояснити, чому камені розпадаються раніше, ніж очікувалося.
Лише в цей час залишок каменю швидко зменшується та значно сповільнюється, ще швидше, якщо камінь розпадається агресивно. «Нам вдалося пов’язати це сповільнення через фрагментацію з попередніми математичними описами, що базувалися на абляції», — сказав співавтор дослідження Стю Пілорц з Інституту SETI.
Якщо тильна частина головного каменю залишається цілою, вона створює зону низького тиску позаду, яка тягне за собою менші фрагменти.
Коли задня частина каменю нарешті розпадається на фазі 6, вогняний шар дає останній яскравий спалах і викидає уламки ще швидше. Оскільки камінь вже сповільнився, ці пізні спалахи зазвичай червоні, а не яскраво-зелені, як раніше.
Досягаючи Землі
«Остаточне руйнування відправляє фрагменти з більшою відносною швидкістю, — розповів головний автор дослідження Пітер Дженніскенс з Інституту SETI та Дослідницького центру NASA Еймс. — У минулих падіннях ми помічали, що метеорити вагою понад 20 г часто розкидалися ширше, і багато з них походили з близької до поверхні частини оригінального космічного каменю, що, ймовірно, була його задньою стороною».
Метеорити, які досягають землі, починалися як більші шматки, але вони пройшли через сильніше плавлення і далі розпадалися, перш ніж сповільнитися настільки, щоб приземлитися.
На фазі 7 плавлення та фрагментація тривають доти, доки останні шматочки не сповільняться достатньо, щоб перестати світитися. Плавлення закінчується, залишаючи на їхніх поверхнях тонку кірку сплаву. Потім вітри можуть здувати потемнілі уламки з курсу, коли вони завершують падіння на землю як метеорити.
Великі камені, що вибухають у повітрі
Серед 75 досліджених падінь метеоритів було кілька різних типів цих небесних каменів. У дослідженні визначили висоти, на яких вони проходили через сім фаз.
Досліджуючи сповільнення в атмосфері маленьких твердих космічних каменів різних типів, дослідники також отримали уявлення про те, що відбувається з більш небезпечними астероїдами, які вибухають у повітрі, розміром від автомобілів до міських кварталів.
«Астероїди розміром до десятків метрів також є твердими каменями, бо вони схильні обертатися швидше, ніж великі астероїди-купки уламків, — сказав Дженніскенс. — Астероїд діаметром 20 м, який спричинив вибух у повітрі над Челябінськом 2013 року, пройшов через ті самі фази».
