Мы смотрим вверх и видим светящуюся полосу. Мы называем её падающей звездой. Это красиво. Это мимолётно. Но это не звезда. Это насильственная смерть камня.
Разница между тем, что вы видите, и тем, что это вызвало, имеет значение. Светящаяся полоса в небе — это метеор. Причина — метеороид. Это небольшой каменный или металлический объект из космоса, который входит в нашу атмосферу и нагревается до свечения.
Почему возникают метеоры
Всё дело в скорости.
Когда метеороид попадает в атмосферу Земли, он движется не со скоростью пешехода. Он летит быстрее пули. Минимальная скорость составляет 11 километров в секунду. Это 25 000 миль в час.
Пуля покидает ствол оружия со скоростью несколько сотен метров в секунду. Этот объект движется с долей скорости света.
Трение возникает не из-за трения о молекулы воздуха в традиционном смысле. Это сжатие. Объект так сильно врезается в атомы и молекулы, что воздух не успевает разлетаться в стороны. Столкновение создаёт тепло. Интенсивное тепло.
Поверхность камня плавится. Он испаряется. Воздух вокруг него воспламеняется. Вот этот свет вы и видите.
Большинство метеороидов не выживают. Они сгорают в верхних слоях атмосферы. Если вы видите полосу и думаете: «Надеюсь, это упадёт в мой двор», вы, вероятно, ошибаетесь. Подавляющее большинство исчезает, прежде чем коснуться земли.
Что выживает при падении
Если камень выживает после огненного погружения и падает на Землю, он меняет своё название. Он больше не метеороид. Он становится метеоритом.
Вы можете поднять метеорит. Вы можете подержать его в руках. Это кусочек Солнечной системы, совершивший путешествие.
Но какого они размера?
Термин метеороид обычно применяется к кускам материи размером примерно с дом или меньше. Речь идёт о десятках метров в поперечнике. Это обломки астероидов и комет. Это небольшие тела Солнечной системы.
Некоторые из них имеют иное происхождение. Некоторые прибыли с Луны. Некоторые с Марса. Другие с Весты. Возможно, с Меркурия.
Затем есть совсем крошечные.
Если частица имеет размер менее нескольких сотен микрометров, она примерно с точку в конце этого предложения. Мы называем их межпланетными пылевыми частицами. Или микрометеороидами. Они повсюду. Они дрейфуют в космосе, как снег.
Почему это важно
Мы сосредотачиваемся на больших камнях. На тех, которые могут упасть на города. Но мелкая материя рассказывает историю.
Эти обломки — остатки. Это мусор от столкновений, произошедших миллиарды лет назад. Когда метеороид сгорает, он высвобождает древний материал в нашу атмосферу. Это постоянная, тихая система доставки внеземной материи.
Вам не нужен телескоп, чтобы увидеть эффект. Вам просто нужно посмотреть вверх в ясную ночь.
Полоса исчезает за секунду. Но физика, стоящая за этим, проста и жестока. Скорость плюс сжатие равно свет. Вот и всё.
Это не магия. Это механика.
И в большинстве случаев всё исчезает.
Почему названия постоянно путают
Люди используют слова метеороид, метеор и метеорит как синонимы. Это небрежно. Путаница обычно сосредоточена вокруг слова «метеор».
Часто общественность применяет его к камню, несущемуся через космос. Иногда они имеют в виду сам горящий объект. В большинстве случаев они описывают светящуюся полосу. Лишь редко они используют это слово правильно для объекта, который фактически достигает земли.
Посмотрите на название. Кратер Метеор в Аризоне. Это известный ударный кратер. Кратер назван в честь камня, который в него ударил. Не светящейся полосы. Не космического камня. Камня, который выжил при падении.
Определение этапов входа в атмосферу
Разница проста, если следовать временной шкале.
Сначала есть метеороид. Это объект в космосе. Это просто камень или металл. Без зрелищности. Без атмосферы. Просто кусок мусора на своем пути.
Затем вступает в действие атмосфера. Трение нагревает объект. Он начинает светиться. Это метеор. Светящаяся полоса. «Падающая звезда». Если вы видите ее, вы смотрите на метеороид, сгорающий в верхних слоях атмосферы. Сам объект часто исчезает еще до того, как достигнет более низких высот.
Если какая-либо часть выживает при этом огненном проходе и падает на Землю, она становится метеоритом.
Это различие имеет значение для науки. Метеороид рассказывает нам об истории Солнечной системы. Метеор дает нам данные о скоростях входа в атмосферу. Метеорит позволяет нам держать эту историю в своих руках. Мы можем проанализировать его химию. Мы можем определить его возраст. Мы можем изучить его структуру.
Реальные примеры путаницы
Пример с Аризоной классический. Кратер Метеор образовался железоникелевым метеоритом. Объект имел ширину около 50 метров. Он ударил со скоростью 12,8 километра в секунду. Удар создал кратер шириной 1200 метров.
Ученые изучают выбросы. Они ищут шокированный кварц. Они наносят на карту край кратера. Вся эта работа не имеет смысла, если вы называете кратер «метеоритным кратером» в своих заметках. Точность имеет значение.
Неправильная маркировка имеет последствия. Она загрязняет научные данные. Она вводит в заблуждение публику. Она затрудняет объяснение космических угроз. Если околоземный объект движется к Земле, нам нужен четкий язык. Это потенциальный ударный объект? Это опасность? Термины помогают нам классифицировать риск.
Почему путаница сохраняется
Побеждает обычное употребление. Большинство людей видят светящуюся полосу. Они называют ее метеором. Они думают, что камень упал вниз. Они также называют найденный камень метеоритом. Или иногда они просто называют все метеорами. Это проще, чем учить три слова.
Но наука требует иного.
Метеороиды вращаются вокруг Солнца. Они остались после формирования планет. Или фрагменты от столкновений. Они маленькие. Слишком маленькие, чтобы быть планетами или карликовыми планетами.
Метеоры — это преходящие события. Они длятся секунды. Они видны только благодаря атмосфере. Уберите воздух, и не будет метеора. Только темнота.
Метеориты — это физические доказательства. Они осязаемы. Это единственный внеземной материал, который мы можем трогать без скафандра.
Влияние на исследования
Когда исследователи публикуются, они должны быть точными. Они описывают орбиту метеороида. Они фиксируют траекторию
Посмотрите вверх в темную ночь. Вы можете заметить несколько светящихся полос. Это метеоры. Они вспыхивают на долю секунды или задерживаются на несколько секунд. Свечение часто мерцает. Могут лететь искры. Иногда остается шлейф. Далеко после того, как камень исчезает.
Мы называем самые яркие из них огненными шарами. Или болидами. Если они взрываются, то это точно болид. Когда тысячи появляются одновременно, это метеорный поток. Если они появляются ниоткуда, то они являются спорадическими.
Физика удара песчинки
Метеор — это столкновение. Метеороид входит в атмосферу Земли на высокой скорости. Типичная видимая полоса исходит от объекта размером с песчинку. Он начинает с большой высоты. Часто на высоте 100 км (60 миль) или выше.
Существуют и более мелкие объекты. Объекты размером менее 500 микрон слишком тусклы для глаз. Вам нужны бинокли. Или телескопы. Радар также может их поймать.
Более яркие метеоры встречаются реже. Они сияют как Венера. Или ярче полной Луны. Они исходят от более крупных камней. От граммов до тонны. От сантиметров до метров.
Скорость и преобразование энергии
Почему они светятся? Скорость.
Метеороиды движутся около Земли с разной скоростью. От нескольких км/с до 72 км/с. Гравитация Земли ускоряет их дальше. Минимальная скорость входа составляет 11,2 км/с. Скорость убегания.
При такой скорости кинетическая энергия огромна. Примерно в 15 раз больше, чем у тротила (TNT) той же массы. Трение замедляет камень. Эта энергия превращается в тепло.
Даже на высоте 100 км воздух разрежен. Но этого достаточно. Тепло испаряет метеороид. Он ионизирует поверхность. Он также разрушает окружающие молекулы газа. Возбужденные атомы создают свет. Формируется светящаяся область. Она движется вместе с камнем. Она намного больше самого камня.
Лишь 0,1–1% этой энергии становится видимым светом. Остальное нагревает воздух. И отталкивает его в стороны.
Ударные волны и звуковые удары
Опуститесь глубже. Воздух перед камнем сжимается. Развивается ударная волна. Она взаимодействует с твердым камнем и его паром. Сложная физика.
Эта волна может достичь земли. Даже если камень не достигает. Если объект размером в килограмм проникает на высоту 40 км, он может вызвать звук на земле. Подобно звуковому удару. Или грому.
Звук может быть интенсивным. Он сотрясает землю. Сейсмометры записывают его. Они предназначены для регистрации землетрясений. Но они также фиксируют эти удары.
Разрушение и фрагментация
Выброс энергии уничтожает большинство метеороидов. Особенно быстрых. Происходит два процесса.
Абляция удаляет массу. Испарение. Расплавленные капли отлетают.
Фрагментация раскалывает камень. Аэродинамическое давление превышает прочность на сжатие. Камень разрушается.
Именно поэтому многие метеоры заканчиваются выше 80 км. Достичь 50 км — редкость.
Крупные камни фрагментируются катастрофически. Около 10 крупных взрывов происходит ежегодно. Каждый из них имеет мощность не менее 1 килотонны тротила. Некоторые намного больше. Эти камни имеют диаметр не менее 2 метров.
Сравните это с Хиросимой. 15 килотонн. Тунгусский феномен 1908 года был зрелищным. Сибирь. 30 июня. Ударная волна составила 15 мегатонн. Деревья были повалены на площади 50 км в поперечнике. 500 000 акров. Свидетели говорили, что это было так же ярко, как Солнце.
Выжившие при падении
Не все метеороиды сгорают. Некоторые теряют энергию до разрушения. Это происходит, если камень маленький. И медленный. Менее 25 км/с. Или входит под небольшим углом.
Это также происходит, если камень большой. Более 100 граммов. И прочный. Высокая прочность на сжатие.
Межпланетные пылевые частицы крошечные. Менее 50–100 мкм. Они останавливаются высоко. Им требуются недели или месяцы, чтобы осесть. Частицы комет движутся быстро. Поэтому выживают только те, которые достаточно малы.
Более крупные выжившие плавятся. Частично или полностью. Затем снова затвердевают. Они падают как камни.
Когда метеороид велик — его диаметр составляет десятки метров — правила меняются. Атмосфера не просто сжигает его. Она замедляет его.
Эти объекты достигают высот 5–25 км. На этой высоте давление воздуха достаточно высоко, чтобы действовать как тормоз. Поверхность плавится. Внутренняя часть остаётся холодной. Это термическое разделение имеет ключевое значение. Оно означает, что ядро камня никогда не достигает экстремальных температур входа в атмосферу.
Фрагментация и спуск
Они редко остаются целыми. Большинство раскалываются под воздействием напряжений. Атмосфера эффективно их тормозит. Затем вступает в силу гравитация.
Этот этап называется «тёмным полётом». Он длится несколько минут. Для сравнения: видимое свечение длится всего несколько секунд. Светимость затухает. Скорость падает до 100–200 метров в секунду. Это 225–450 миль в час. Быстро по автомобильным меркам. Медленно по орбитальным меркам.
«К тому времени, когда метеороид достигает земли, он теряет так много тепла, что метеорит можно сразу же коснуться голой рукой.»
Поверхностные особенности и ориентация
Эти камни можно поднять. Они прохладные на ощупь. Но на них видны шрамы. Обратите внимание на тёмную, стекловидную корку. Это корка плавления. Она образуется в результате плавления поверхности. Это единственный очевидный признак огненного пролёта.
Некоторые камни демонстрируют больше. Текстуры потока. Аэродинамические формы. Эти особенности важны. Они указывают на ориентацию. Метеороид не кувыркался. Он держал нос по ветру. Как пилотируемый космический аппарат. Эта стабильность предполагает обтекаемый путь входа. Большинство метеороидов кувыркаются. Эти — нет.
В результате получается камень, который можно держать в руках. Тёплый? Нет. Прохладный. Всё ещё несущий тепло путешествия, начавшегося в глубоком космосе.
Вы видите их в большинстве лет. Персеиды в августе. Геминиды в декабре. Вы смотрите вверх, ожидая фейерверка, и видите лишь пять или десять полос на черном небе. Это едва ли похоже на зрелище.
Затем есть исключения. Ночи, когда небо буквально излучает свет. Тысячи метеоров в час. Эти драматические шоу не случайны. Они являются результатом космической катастрофы, которая разыгрывалась на протяжении тысячелетий.
Геометрия падающих камней
Метеоры в потоке обладают общей характеристикой: направлением. Они не движутся зигзагами. Они не разлетаются в разные стороны. Они двигаются синхронно. Если нанести их траектории на звездную карту, все они сходятся в одной точке.
Это эффект перспективы. Это та же оптическая иллюзия, из-за которой параллельные железнодорожные пути кажутся сходящимися вдали. Эта точка схождения называется радиантом.
Названия потоков происходят непосредственно из этой геометрии. Персеиды исходят из созвездия Персея. Леониды — из Льва. Это соглашение об именах основано на том месте, где действие, как кажется, начинается на нашем небе.
Фотография доказала то, что подозревали наблюдатели невооруженным глазом. Эти метеоры не просто пролетают под схожими углами. Они разделяют одну и ту же орбиту. Они являются частью ограниченного потока обломков, вращающегося вокруг Солнца. Мы называем их метеорными потоками.
Радар позже расширил список. Он фиксировал потоки, невидимые для человеческого глаза и ранних камер. Они исходили из радиантов, расположенных в дневном небе. Земля проходит через них, но солнечный свет их затмевает. Всего астрономы идентифицировали около 2000 различных потоков.
Связь с кометами
Самое важное открытие в науке о метеорах связывает эти потоки с кометами. Это не слабая корреляция. Это прямая причинно-следственная цепь.
По мере приближения кометы к Солнцу тепло испаряет ее летучие льды. Замерзшие газы превращаются в пар. Этот процесс вырывает пыль и более крупные частицы. Некоторые из этих обломков размером с песок. Некоторые достигают сантиметра в поперечнике.
Эти обломки остаются на орбитальном пути кометы. Они распределяются. Они образуют шлейф.
Орбита Земли ежегодно пересекает эти шлейфы. Когда мы проходим через поток кометной пыли, трение о нашу атмосферу воспламеняет частицы. Мы видим метеорный поток.
В таблице ниже показаны основные ночные потоки и их родительские тела. Обратите внимание на скорости. Некоторые падают на нас со скоростью 23 километра в секунду. Другие влетают со скоростью 71 км/с. Скорость зависит от угла и скорости орбиты кометы.
Данные
| Поток | Дата максимума | Длительность | Сила (NH) | Скорость (км/с) | Родительское тело |
|---|---|---|---|---|---|
| Квадрантиды | 3 января | 1 день | Средняя | 41 | C/1490 Y1 |
| Лириды | 22 апреля | 1 день | Нерегулярная | 48 | Такер |
| Эта-Аквариды | 3 мая | 5 дней | Слабая | 66 | Галлея |
| Южные Дельта-Аквариды | 29 июля | 8 дней | Средняя | 41 | Махольц* |
| Козерожиды | 30 июля | 3 дня | Средняя | 23 | 169P/NEAT |
| Персеиды | 12 августа | 5 дней | Сильная | 59 | Свифта-Таттла |
| Андромедиды | 3 октября | 11 дней | Слабая | 21 | Бьелы |
| Дракониды | 9 октября | 1 день | Нерегулярная | 20 | Джакобини-Циннера |
| Ориониды | 21 октября | 2 дня | Средняя | 66 | Галлея |
| Тауриды | 8 ноября | 30 дней | Слабая | 28 | Энке |
| Леониды | 17 ноября | <1 дня | Нерегулярная | 71 | Темпеля-Таттла |
| Геминиды | 14 декабря | 4 дня | Сильная | 34 | (3200) Фаэтон |
Возможная идентификация.
*Это тело было классифицировано как астероид при открытии, но теперь предполагается, что это выгоревшая комета.
Источник: Данные получены преимущественно из работы А.Ф. Кука в NASA SP-319 (1973).
Почему это важно
Посмотрите на Геминиды. Они сильные. Они длятся четыре дня. Они исходят от Фаэтона. Но Фаэтон — это не комета. Это астероид. Или по крайней мере, так его классифицировали раньше. Теперь ученые подозревают, что это мертвая комета.
Почему Леониды взрываются каждые три десятилетия
Леониды — это не просто очередное ежегодное небесное шоу. Они являются относительно новым дополнением в космическом реестре, рожденным из орбиты кометы Темпеля-Таттла. Именно поэтому визуальная интенсивность их активности резко возрастает. Каждые 33 или 34 года Земля пронзает плотный, компактный рой обломков, который еще не успел рассеяться.
Большинство метеорных потоков, которые вы видите, — это остатки более старых и рассредоточенных потоков. Они надежны. Слабы, но последовательны. Леониды отличаются. Они концентрированы.
В течение следующего тысячелетия незначительные вариации в орбитах отдельных метеороидов растянут этот тесный узел в более тонкое кольцо. Потоки станут менее зрелищными, но более предсказуемыми. Если пройдет 10 000 лет, гравитация планет настолько исказит орбиты, что поток фактически растворится в фоновом шуме.
Астероид, маскирующийся под комету
Не каждое родительское тело выглядит как комета. Поток Гемнид является ярким примером несоответствия. Это один из самых надежных и визуально ярких метеорных потоков года. Однако его источник, Файтон, совсем не похож на «грязный снежок».
Открытый в 1983 году, Файтон классифицируется как небольшой астероид, пересекающий орбиту Земли. У него отсутствует туманная голова и хвост, определяющие кометы. У него нет комы. Он просто находится там, каменистый и инертный.
Исследователи подозревают, что на самом деле это выгоревшее ядро кометы. Реликт. Летучие льды давно испарились, оставив только плотное ядро. Мы сможем узнать наверняка только тогда, когда космический аппарат наконец приблизится достаточно близко, чтобы изучить его поверхность вблизи. До тех пор он остается аномалией. Астероидом, порождающим метеорный поток.
Когда камни падают на землю
Мы много времени проводим, глядя вверх. Мы редко думаем о том, что происходит, когда эти камни на самом деле приземляются.
Для метеороидов массой до одного килограмма удар проходит без зрелищности. Нет взрыва. Нет кратера. Только свист и глухой удар. Вы не увидите этого, если не стоите прямо рядом с ним. Часто единственным доказательством служит вмятина на крыше автомобиля или треснувшее оконное стекло, которое предупреждает соседей о событии.
Найденные метеориты рассказывают другую историю. Они варьируются от крошечных фрагментов весом в несколько граммов до огромных валунов весом почти в 60 тонн.
Состав рассказывает о том, откуда взялся камень.
- Каменные метеориты : Самый распространенный тип. Состоят преимущественно из силикатных минералов.
- Железные метеориты : Плотные и тяжелые, состоящие в основном из сплава никеля и железа.
- Каменно-железные метеориты : Редкая смесь, содержащая примерно равные части металла и силикатной породы.
Это не просто камни. Это капсулы времени. Но вы должны найти их до того, как погода или почва скроют их происхождение.
Охота на микрометеориты
Думаете, крупные камни редки? Попробуйте найти объект, ширина которого в сто раз меньше толщины человеческого волоса.
Речь идет о межпланетных пылевых частицах. Эти крошечные фрагменты имеют размеры от 10 до 100 микрометров. Они являются остатками, образующимися после того, как кометы сгорают в атмосфере или сталкиваются планеты. Для их сбора требуются серьезные логистические усилия.
Сбор стратосферных образцов
Самые мелкие образцы не падают на лобовое стекло. Они парят высоко над шумом повседневной жизни. Ученые прикрепляют специальные фильтры к самолетам. Эти самолеты летают в стратосфере. Высота полета должна составлять не менее 20 километров. Почему именно там? Потому что наземной пыли там мало. Воздух чист. Фильтры улавливают космическую пыль, когда самолет пролетает через верхние слои атмосферы.
Лед и океанские осадки
На земле охота становится сложнее. Погода быстро стирает следы. Поэтому исследователи отправляются в места, где время движется медленнее. Они берут керны осадков из глубоких слоев океана. Они бурят ледяной щит Гренландии. Они тают огромные массы антарктического льда. Эти места предлагают убежище. Источников пыли мало. Окружающая среда сохраняет то, что падает с неба.
За пределами земной атмосферы
Иногда сбор осуществляется не сверху или снизу, а сбоку. Специальное оборудование на орбитальных космических аппаратах собирало эти частицы непосредственно. Они парят в космосе. Они пролетают мимо спутников.
«Миссия Stardust доставила пыль, которую она захватила в окрестностях кометы Вильда 2.»
В 2006 году миссия Stardust доказала, что это возможно. Она не просто пролетела мимо. Она захватила пыль вблизи кометы Вильда 2. Она доставила этот космический материал на Землю. Теперь мы держим в своих лабораториях кусочки кометы. Масштаб мал. Значение огромно. Мы имеем прямой доступ к строительным блокам Солнечной системы. Всего лишь в виде микрометровых порций.
Когда камни бьют со всей силы
Большинство метеороидов сгорают, так и не достигнув поверхности Земли. Но если они достаточно велики — скажем, от 100 метров до нескольких километров в поперечнике, — атмосфера практически не замедляет их. Они проносятся сквозь воздух, словно камни, брошенные сквозь бумагу.
А затем они сталкиваются.
Скорость безумная. Многие километры в секунду. Высвобождаемая кинетическая энергия — это не просто глухой удар. Это жестокая коллизия, вырывающая яму. Эти кратеры удивительно похожи на следы, оставленные ядерными взрывами. Мы называем их метеоритными кратерами, что является своего рода неточностью. Сам метеороид? Он исчезает. Испаряется. Превращается в газ и пыль от чудовищной силы удара.
Возьмем Кратер метеорита в Аризоне. Это один из наиболее хорошо сохранившихся примеров на Земле. Широкая яма, около 1,2 км в поперечнике и 200 метров в глубину. Она образовалась примерно 50 000 лет назад. Объект, который её создал, был железным метеороидом. Оценки показывают, что его ширина составляла от 50 до 100 метров. Это масса около четырёх миллионов тонн.
При ударе он оставил после себя не только яму. Учёные обнаружили миллионы фрагментов никелевого железа внутри кратера и вокруг него. Крошечные капли размером с песчинки. Доказательство того, что нечто массивное пролетело по небу и исчезло.
Тяжёлая бомбардировка
Кратер метеорита впечатляет, но он крошечный по сравнению с тем, что показывает геологическая летопись. Земля подвергалась ударам объектов с кинетической энергией, эквивалентной миллиарду мегатонн тротила. Да. Миллиарду.
К счастью, мы не видим ударов такой мощности очень часто. Раз или два каждые 100 миллионов лет. Для нас это практически никогда. Но в первые 500 миллионов лет истории Солнечной системы? Это был постоянный дождь из обломков.
Формирование планет сходило на нет. Оставшиеся планетезимали — астероидоподобные камни — поглощались новыми планетами. Это была хаотичная уборочная бригада. Интенсивность этого периода известна как Поздняя тяжёлая бомбардировка.
Вы можете увидеть доказательства, если знаете, где искать. Древние, сильно кратерированные ландшафты на Луне, Марсе и Меркурии — немые свидетели. Они покрыты шрамами той эпохи. Земля стерла большую часть собственной летописи, но у Луны нет атмосферы, чтобы стирать её. Она ведёт учёт.
Это было не просто случайностью. Это была финальная фаза формирования Солнечной системы. Обломкам было нужно куда-то деваться. И они разлетелись повсюду.
Жизнь на Земле не просто возникла. Она выжила, пройдя через череду космического насилия.
Некоторые исследователи утверждают, что мощные удары астероидов были не просто разрушительными силами. Вероятно, они стали той самой кузницей, которая определила, возникнет ли жизнь вообще. Временные рамки сжаты. Самые ранние свидетельства жизни появляются в породах, которые лишь немного моложе конца Поздней тяжелой бомбардировки. До завершения этого периода любой биологический искра могла бы загореться и снова погаснуть многократно.
Крупные удары вскипятили океаны. Они расплавили поверхностные породы. Планета превратилась во враждебную печь.
Когда жизнь, наконец, укоренилась, она, вероятно, пряталась. В глубинах океанов. В трещинах глубоких слоев земной коры. В любом месте, защищенном от самых крупных столкновений. Когда частота ударов снизилась, а жизнь стала устойчивой, редкие мощные удары сменили роль событий, вызывающих вымирание, на катализаторы эволюции.
Возьмем конец мелового периода, примерно 65 миллионов лет назад. Огромный удар одновременно уничтожил множество видов. Динозавры пали. Млекопитающие возвысились. Мы существуем благодаря этому столкновению.
Объект имел диаметр около 10 километров. Он оставил кратер диаметром примерно 150 километров. Этот кратер скрыт под осадочными породами у полуострова Юкатан в Мексике. Для получения подробной информации о риске будущих космических столкновений ознакомьтесь с оценками опасности столкновений Земли.
Отслеживание орбит входящих метеороидов
Знание того, откуда прилетают метеоры, важно. Но знание их орбит имеет еще большее значение.
Прямой способ определить, к какому источнику принадлежит метеороид, — это измерение его траектории. Если два наблюдателя в удаленных друг от друга местах видят один и тот же метеор и фиксируют его координаты, триангуляция выявляет его радиант. Это направление, в котором он двигался в пространстве перед входом в атмосферу Земли.
Скорость — более сложная переменная. Она необходима для расчета полной орбиты.
Эта проблема была решена в 1940-х годах. Инженеры разработали широкоугольные астрономические камеры для изучения метеоров. Они добавили вращающиеся затворы. Эти затворы прерывали свет, попадающий на фотопластину, с известной частотой. Результат? Разрывы на зафиксированных следах. Эти разрывы позволили ученым рассчитать скорость метеора вдоль его пути.
Они измеряли положение траектории относительно фоновых звезд. Совмещение данных с нескольких станций дает точную орбиту до входа в атмосферу.
Радар вскоре последовал за этим. Он фиксировал метеоры, слишком тусклые для камер.
Сети огненных шаров
Двадцать лет спустя возник более масштабный проект. Были созданы крупномасштабные сети для съемки огненных шаров. Это были очень яркие метеоры. Целью было обеспечение всеобъемлющего обзора неба над примерно миллионом квадратных километров поверхности Земли.
Были созданы три основные сети:
- Прайри-Нетворк (Prairie Network) в центральной части США.
- Сеть MORP в прерийных провинциях Канады.
- Европейская сеть со станциями в Германии и Чехословакии.
Прайри-Нетворк, управляемый Смитсоновской астрофизической обсерваторией с 1964 по 1974 год, предоставил наиболее полный набор данных.
Цель выходила за рамки простого отслеживания. Эти сети стремились предсказывать районы падения. Они хотели находить уцелевшие метеориты. Зачем? Чтобы сравнить теоретические модели плотности и прочности метеороидов с физическими образцами. «Подтверждение на месте» (Ground truth).
Это не сработало так, как планировалось.
Поиск уцелевших метеоритов имел ограниченный успех. Было найдено только три метеорита. По одному от каждой сети. Все три представляли собой обыкновенные хондриты. Это самый распространенный тип каменных метеоритов.
Скромный успех поиска. Значительное проникновение в суть вопроса.
Изучение этих трех образцов подтвердило, что они происходят из пояса астероидов. Что еще важнее, они научили нас тому, что происходит с метеороидами во время входа в атмосферу. Теперь мы можем лучше оценивать физические свойства. Мы можем отличать плотные объекты, формирующие метеориты, от рыхлых обломков, происходящих от комет.
До этого метеорная астрономия и геохимия метеоритов существовали в изоляции. Независимые области. С минимальным пересечением.
Сети заставили их объединиться. Данные сформировали новый взгляд на метеорную науку и на источники этих космических камней.
Откуда на самом деле берутся метеороиды
Большая часть массы Солнечной системы сосредоточена в Солнце и крупных планетах. Их орбиты стабильны. Они мало изменились с момента формирования системы 4,567 миллиарда лет назад. Планеты также достаточно велики, чтобы удерживать собственный мусор. Кратеры накапливаются, а не исчезают.
Меньшие тела ведут себя иначе. Многие имеют вытянутые орбиты. Некоторые слишком малы, чтобы выжить. Они обитают в двух основных резервуарах: поясе астероидов между Марсом и Юпитером, а также в поясе Койпера и облаке Оорта, расположенных далеко за орбитой Нептуна. Этот внешний регион простирается более чем в 1000 раз дальше, чем орбита Земли.
На ранних этапах всё было разбросано хаотично. Затем планеты поглотили большую часть этого материала. Эта интенсивная бомбардировка закончилась около четырех миллиардов лет назад. Сегодня Земля получает лишь десятки тысяч тонн космического мусора в год. Это капля в море по сравнению с прошлым. Крупные столкновения сейчас редки. Но когда они происходят, последствия серьезны. В 1994 году комета Шумейкера-Леви 9 врезалась в Юпитер. Астероид или комета, вероятно, убили динозавров 65 миллионов лет назад.
Как попасть на Землю
Чтобы камень ударил по нам, его орбита должна пересекаться с орбитой Земли. Астероиды могут попасть туда в результате столкновений. Гравитация Юпитера тоже помогает. Солнечное излучение направляет пылевые частицы на орбиты, пересекающие орбиту Земли.
Ледяные объекты из пояса Койпера или облака Оорта проходят более долгий путь. Гравитация Нептуна или даже проходящие мимо звезды слегка смещают их внутрь системы. Как только они пересекают орбиту Юпитера и приближаются к Солнцу, лед превращается в газ. Комета сбрасывает частицы. Если эта орбита пересекает нашу, мы наблюдаем метеоры.
Эти резервуары протекают, но долговечны. Они сохраняли первозданный материал в течение 4,5 миллиардов лет. Они также позволяют некоторым объектам достигать нас. Это состояние равновесия. Приток из хранилища компенсирует потери от выброса, столкновений или ударов.
Не всё приходит от комет или астероидов. Некоторые метеороиды происходят с Марса, Луны, Весты или, возможно, Меркурия. Крупные удары выбрасывают поверхностный материал. Космические миссии «Галилео» и «Юлисс» обнаружили межзвездную пыль, текущую через нашу галактику. Эти зерна малы. Они движутся со скоростью 25 км/с. Высокая кинетическая энергия означает сильный нагрев при входе в атмосферу. Большинство сгорает.
Некоторые выживают. Они редки. Их трудно обнаружить среди кометной и астероидной пыли. Но они существуют. В январе 2014 года метеор вошел в атмосферу вблизи острова Мэнус, Папуа — Новая Гвинея. Данные о скорости и траектории подтвердили, что он пришел из-за пределов Солнечной системы.
Отслеживание астероидного происхождения
Большинство метеоритов, найденных на поверхности Земли, происходят из пояса астероидов. Ученые хотят знать, какие астероиды производят какие метеориты. И как они попадают сюда. Исследования космическими аппаратами наконец-то дают ответы на эти вопросы.
Аппарат Dawn связал метеориты группы HED с астероидом Веста. Это начало. Но у нас все еще есть вопросы о механизмах транспортировки. Как эти камни попали с Весты на Землю? Указания указывают на пояс астероидов как на основной источник. Путь сложен. Происхождение становится яснее.
Долгая и жестокая жизнь космических камней
Посмотрите на разрыв между Марсом и Юпитером. Он не пуст. Он забит сотнями тысяч астероидов. Мы идентифицировали крупные из них, но реальные цифры? Они ошеломляющие. Вероятно, существует более миллиона объектов диаметром более одного километра. А сколько их поменьше? Неисчислимое множество.
Они не просто лениво дрейфуют. Они постоянно сталкиваются друг с другом. Средняя скорость столкновения составляет 5 км/с. Это не нежный толчок. Это высокоскоростное столкновение, способное превратить камень в пыль.
Благодаря этому естественному процессу измельчения, лишь немногие астероиды диаметром более 75 км пережили всю историю Солнечной системы. Они раскололись. Те мелкие астероиды, которые вы видите сегодня? Это просто обломки. Пыль на дне этой кучи. Остатки жестокого космического демонтажа.
Как долго на самом деле выживают метеороиды?
Возможно, вы задаетесь вопросом, как долго камень остается в космосе, прежде чем стать метеоритом на вашем газоне.
Мы можем оценить это время. Оно сводится к космическим лучам. Когда метеороид (любой объект размером в несколько метров или меньше) находится в космосе, высокоэнергетические частицы бомбардируют его. Мы измеряем эту экспозицию, чтобы определить его возраст.
Данные красноречивы. Большинство обычных хондритов (каменных метеоритов) имеют возраст экспозиции менее 50 миллионов лет. Углеродистые хондриты? Еще моложе. Менее 20 миллионов лет. Ахондриты группируются в диапазоне от 20 до 30 миллионов лет.
Железные метеориты отличаются. Они остаются дольше. Некоторые из них имеют возраст от одного до двух миллиардов лет.
Почему такая огромная разница?
Дело не только во времени, необходимом для того, чтобы их орбиты сместились на пути, пересекающие орбиту Земли. Речь идет о времени жизни при столкновениях. Как долго они могут выживать, прежде чем будут разбиты?
Для большинства типов метеоритов половина популяции уничтожается столкновениями примерно за 5–10 миллионов лет. Железные метеориты выживают дольше. Они прочнее. Их труднее разбить.
Почему метеориты из пояса астероидов не попадают к нам в результате прямых ударов
Итак, как эти камни попадают к нам?
Только два процесса могут поместить фрагменты метеороидов на орбиты, пересекающие орбиту Земли, в такие короткие сроки.
Первый: прямой ударный выброс из пояса астероидов.
Второй: гравитационное ускорение за счет динамических резонансов с планетами.
Прямые удары — дело грязное. Столкновения происходят со скоростью 5 км/с. Некоторый материал выбрасывается достаточно быстро, чтобы достичь Земли, но его количество ничтожно мало. Большая часть просто измельчается ударным давлением. Этот механизм работает для камней с Марса или Луны. Его достаточно, чтобы выбить их с поверхности.
Но он не объясняет подавляющее большинство метеоритов из пояса астероидов. Их количество слишком мало.
Магистраль резонансов
Это приводит нас ко второму процессу. Он гораздо важнее.
Резонансы.
Эти механизмы эффективно выталкивают материал из пояса. Они создают пустые пространства. Регионы, где популяция астероидов истощена.
Это щели Кирквуда. Названы в честь Дэниела Кирквуда, астронома XIX века, который их обнаружил.
Один из самых заметных разрывов находится на расстоянии 2,5 астрономических единиц (а.е.) от Солнца. Одна а.е. — это расстояние от Земли до Солнца. Примерно 150 миллионов километров.
Фрагмент астероида на расстоянии 2,5 а.е. совершает три оборота вокруг Солнца за то время, которое Юпитеру требуется для одного оборота. Он находится в резонансе 3:1 с королем планет.
Юпитер огромен. Он сильно притягивает.
Эти регулярные гравитационные толчки не просто отталкивают камень в сторону. Они делают орбиту хаотичной. Перигелий — точка, ближайшая к Солнцу, — смещается. Он перемещается внутрь орбиты Земли.
Этому смещению требуется около одного миллиона лет.
Компьютерные модели подтверждают это. Резонанс 3:1 является основным механизмом. Он инжектирует астероидный материал в наши края.
Проблема нехватки поставок
Вот парадокс.
Если гравитация Юпитера так хорошо справляется с очисткой материала посредством резонансов, не должна ли область рядом с сильным резонансом быть пустой к настоящему времени?
У нас было 4,5 миллиарда лет. Теоретически, все должно было быть выбито. Не должно остаться ничего, что могло бы отправиться к Земле.
Но есть. Постоянный поток.
Как?
Астероиды мигрируют. Они перемещаются внутри пояса. Они перемешиваются в резонансах. Новый материал заменяет старый. Линия снабжения остается открытой.
Пыльное исключение
Есть третья группа. Самые мелкие.
Метеороиды размером менее нескольких сотен микрометров. Межпланетные пылевые частицы.
Они не используют резонансы. Их не выбивают столкновения.
Они используют само Солнце.
Солнечная радиация толкает их. Она создает сопротивление, называемое эффектом Прейера-Робертсона.
Эта сила заставляет их спирально двигаться внутрь. Из пояса астероидов. Прямо на орбиты, пересекающие орбиту Земли.
Время, необходимое для этого, зависит от размера частицы. И от того, откуда она начала движение.
Для частиц размером от 10 до 50 микрометров путешествие занимает около 100 000 лет.
Если они меньше микрометра? Давление солнечной радиации выдувает их прямо из Солнечной системы. Они не достигают нас.
Возраст экспозиции космическими лучами для этих микрометеоритов совпадает со временем путешествия. Все сходится.
Но подождите.
Некоторые пылинки могут быть моложе. Гораздо моложе.
Возможно, они произошли от столкновений более крупных объектов, которые уже находились на пути, пересекающем орбиту Земли. Или, возможно, они вообще не от астероидов. Возможно, это кометный мусор. Выпавший во время недавних проходов через внутреннюю часть Солнечной системы.
Мы отслеживаем камни, которые раскололись эоны назад, толкаемые гигантами, затягиваемые светом и ожидающие своего падения.
И все же мы находим больше.
