3. Малые тела Солнечной системы (астероиды, карликовые планеты и кометы). Метеоры, болиды, метеориты

Интерактивное задание "Строение кометы"

Используя материал предыдущего урока, изучив § 16 и просмотренную ссылку , заполнить таблицу "Отличие кометы от астероида или метеорита".

Некоторые сведения о Чебаркульском метеорите.

До 500 килотонн в тротиловом эквиваленте могла составить мощность взрыва небесного тела такого размера. Так считают специалисты из НАСА. Если это соответствует действительности, то взрыв в Челябинске был в 30 раз мощнее Хиросимы.

2,7 балла по шкале Рихтера – взрыв сотряс землю именно с такой силой, как заявила Геологическая наблюдательная служба США (USGS), чьи сейсмографы зафиксировали произошедшее. Хотя, как говорят представители службы, землетрясение от взрыва все равно не похоже на настоящее землетрясение.

8-метровую полынью нашли у берега озера Чебаркуль. Посчитали, что ее сделал один из обломков, но ученые сомневаются и считают, что метеорит полностью разрушился при взрыве, остались только мелкие осколки, которые сейчас ищут. Пока нет доказательств, что найденное у полыньи имеет какое-то отношения к взорвавшемуся небесному телу.

11 млн просмотров вместе с репостами за сутки набрало вот это видео взрыва от RussiaToday, а всего менее чем за сутки на YouTube появилось около 1000 постов про метеорит и Челябинск.

В 1 млрд рублей предварительно оценил губернатор Челябинской области Михаил Юревич ущерб от взрывной волны метеорита. Впрочем, сразу оговорился, что это просто минимальная цифра, то есть, видимо, она будет еще расти.

В Челябинске и области разбито около 200 тысяч квадратных метров оконных стекол, кое-где сносило стены и заборы. На восстановление запасов стекла хватит, а вот специальные рабочих рук – вряд ли, вставлять стекла придется и самим гражданам. Почти сразу появились сведения, что многие бьют свои окна нарочно, надеясь, что им вместо старых поставят новые стеклопакеты. Губернатор Юревич отрицает, что такое могло происходить.

От взрыва пострадало 3724 жилых дома, 671 образовательное учреждение, 11 социально значимых объектов, 69 объектов культуры, 5 объектов спортивно-оздоровительного комплекса. 

В итоге 1142 человека обратились за медицинской помощью, только 48 госпитализировано, по утверждению руководителя местного Минздрава, большинство госпитализированных – дети. Впрочем, глава УРЦ МЧС Юрий Нарышкин высказал предположение, что цифры могут быть преувеличены, а часть обратившихся за помощью просто больны гриппом.

Службы МЧС зафиксировали 4153 обращения на горячие линии после взрыва. Министр чрезвычайных ситуаций Владимир Пучков заявил, что все пострадавшие получат конкретную помощь.

   
 

Начало метеоритных исследований.

Как справедливо писал в 1819 г. известный химик Петербургской Академии наук Иван Мухин, "начало преданий о ниспадающих из воздуха камнях и железных глыбах теряется в глубочайшем мраке веков протекших".

Метеориты известны человеку уже многие тысячи лет. Обнаружены орудия первобытных людей, сделанные из метеоритного железа. Случайно находя метеориты, люди едва ли догадывались об их особом происхождении. Исключение составляли находки "небесных камней" сразу после грандиозного зрелища их падения. Тогда метеориты становились предметами религиозного поклонения. О них слагали легенды, их описывали в летописях, боялись и даже приковывали цепями, чтобы они снова не улетели на небо.

Сохранились сведения, что Анаксагор (см., например, книгу И.Д. Рожанского "Анаксагор", с. 93-94) считал метеориты обломками Земли или твердых небесных тел, а другие древнегреческие мыслители - обломками небесной тверди. Эти, в принципе, правильные представления продержались до тех пор, пока люди еще верили в существование небесной тверди или твердых небесных тел. Затем на длинное время их сменили совершенно другие идеи, объяснявшие происхождение метеоритов любыми причинами, но только не небесными.

Основы научной метеоритики заложил Эрнст Хладни (1756-1827), уже достаточно известный к тому времени немецкий физик-акустик. По совету своего друга, физика Г.Х. Лихтенберга, он занялся сбором и изучением описаний болидов и сравнением этой информации с той, что была известна о найденных камнях. В результате этой работы Хладни в 1794 г. издал книгу "О происхождении найденной Палласом и других подобных ей железных масс и о некоторых связанных с этим явлениях природы". В ней, в частности, обсуждался загадочный образчик "самородного железа", обнаруженный в 1772 г. экспедицией академика Петра Палласа и впоследствии доставленный в Петербург из Сибири. Как оказалось, эта масса была найдена еще в 1749 г. местным кузнецом Яковом Медведевым и первоначально весила около 42 пудов (около 700 кг). Анализ показал, что она состоит из смеси железа с каменистыми включениями и представляет собой редкий тип метеорита. В честь Палласа метеориты этого типа были названы палласитами. В книге Хладни убедительно доказано, что Палласово железо и многие другие "упавшие с неба" камни имеют космическое происхождение.

Метеориты делят на "упавшие" и "найденные". Если кто-то видел, как метеорит падал сквозь атмосферу и затем его действительно обнаружили на земле (событие редкое), то такой метеорит называют "упавшим". Если же он был найден случайно и опознан как "космический пришелец" (что типично для железных метеоритов), то его называют "найденным". Метеоритам дают имена по названиям мест, где их нашли.

Физические явления, вызванные полетом метеорита в атмосфере Земли

Скорость тела, падающего на  Землю издалека, вблизи ее поверхности всегда превышает вторую космическую скорость (11,2 км/с). Но она может быть и значительно больше. Скорость движения Земли по орбите составляет 30 км/с. Пересекая орбиту Земли, объекты Солнечной системы могут иметь скорость до 42 км/с (= 21/2 х 30 км/с). Поэтому на встречных траекториях метеорит может столкнуться с Землей со скоростью до 72 км/с. При входе метеорита в земную атмосферу происходит много интересных явлений. Вначале тело вступает во взаимодействие с очень разреженной верхней атмосферой, где расстояния между молекулами газа больше размера метеорита. Если тело массивное, то это никак не влияет на его состояние и движение. Но если масса тела ненамного превышает массу молекулы, то оно может полностью затормозиться уже в верхних слоях атмосферы и будет медленно оседать к земной поверхности под действием силы тяжести. Оказывается, таким путем, то есть в виде пыли, на Землю попадает основная доля твердого космического вещества. Подсчитано, что ежедневно на Землю поступает порядка 100 т внеземного вещества, но только 1% этой массы представлен крупными телами, имеющими возможность долететь до поверхности.   Заметное торможение крупных объектов начинается в плотных слоях атмосферы, на высотах менее 100 км. Движение твердого тела в газовой среде характеризуется числом Маха (М) - отношением скорости тела к скорости звука в газе. Число М для метеорита меняется с высотой, но обычно не превосходит М = 50. Перед метеоритом образуется ударная волна в виде сильно сжатого и разогретого атмосферного газа. Взаимодействуя с ней, поверхность тела нагревается до плавления и даже испарения. Набегающие газовые струи разбрызгивают и уносят с поверхности расплавленный, а иногда и твердый раздробленный материал. Этот процесс называют абляцией.

Раскаленные газы за фронтом ударной волны, а также капельки и частички вещества, уносимые с поверхности тела, светятся и создают явление метеора или болида. При большой массе тела явление болида сопровождается не только ярким свечением, но порой и звуковыми эффектами: громким хлопком, как от сверхзвукового самолета, раскатами грома, шипением, и т. п. Если масса тела не слишком велика, а его скорость находится в диапазоне от 11 км/с до 22 км/с (это возможно на "догоняющих" Землю траекториях), то оно успевает затормозиться в атмосфере. После этого метеорит движется с такой скоростью, при которой абляция уже не эффективна, и он может в неизменном виде долететь до земной поверхности. Торможение в атмосфере может полностью погасить горизонтальную скорость метеорита, и дальнейшее его падение будет происходить почти вертикально со скоростью 50-150 м/с, при которой сила тяжести сравнивается с сопротивлением воздуха. С такими скоростями на Землю упало большинство метеоритов.

При очень большой массе (более 100 т) метеорит не успевает ни сгореть, ни сильно затормозиться; он ударяется о поверхность с космической скоростью. Происходит взрыв, вызванный переходом большой кинетической энергии тела в тепловую, и на земной поверхности образуется взрывной кратер. В результате значительная часть метеорита и окружающие породы плавятся и испаряются.

Явления вторжения космических тел в атмосферу имеют три основные стадии:
1. Полёт в разреженной атмосфере (до высот около 80 км), где взаимодействие молекул воздуха носит корпускулярный характер. Частицы воздуха соударяются с телом, прилипают к нему или отражаются и передают ему часть своей энергии. Тело нагревается от непрерывной бомбардировки молекулами воздуха, но не испытывает заметного сопротивления, и его скорость остаётся почти неизменной. На этой стадии, однако, внешняя часть космического тела нагревается до тысячи градусов и выше. Здесь характерным параметром задачи является отношение длины свободного пробега к размеру тела L, которое называется числом Кнудсена Kn. В аэродинамике принято учитывать молекулярный подход к сопротивлению воздуха при Kn>0.1.
2. Полёт в атмосфере в режиме непрерывного обтекания тела потоком воздуха, то есть когда воздух считается сплошной средой и атомно-молекулярный характер его состава явно не учитывается. На этой стадии перед телом возникает головная ударная волна, за которой резко повышается давление и температура. Само тело нагревается за счет конвективной теплопередачи, а так же за счет радиационного нагрева. Температура может достигать несколько десятков тысяч градусов, а давление до сотен атмосфер. При резком торможении появляются значительные перегрузки. Возникают деформации тел, оплавление и испарение их поверхностей, унос массы набегающим воздушным потоком (абляция).
3. При приближении к поверхности Земли плотность воздуха растёт, сопротивление тела увеличивается, и оно либо практически останавливается на какой-либо высоте, либо продолжает путь до прямого столкновения с Землёй. При этом часто крупные тела разделяются на несколько частей, каждая из которых падает отдельно на Землю. При сильном торможении космической массы над Землёй сопровождающие его ударные волны продолжают своё движение к поверхности Земли, отражаются от неё и производят возмущения нижних слоёв атмосферы, а так же земной поверхности.

Процесс падения каждого метеорита индивидуален. Нет возможности в кратком рассказе описать все возможные особенности этого процесса.

Случаи падения метеоритов на территории России и СССР.

Старейшая запись о падении метеорита на территории России обнаружена в Лаврентьевской летописи 1091 г., но она не очень подробна. Зато в XX веке в России произошел ряд крупных метеоритных событий. В первую очередь (не только хронологически, но и по масштабу явления) это падение Тунгусского метеорита, случившееся 30 июня 1908 г. (по новому стилю) в районе реки Подкаменная Тунгусска. Столкновение этого тела с Землей привело к сильнейшему взрыву в атмосфере на высоте около 8 км. Его энергия (~1016 Дж) была эквивалентна взрыву 1000 атомных бомб, подобным сброшенной на Хиросиму в 1945 г. Возникшая при этом ударная волна несколько раз обошла земной шар, а в районе взрыва повалила деревья в радиусе до 40 км от эпицентра и привела к гибели большого количества оленей. К счастью, это грандиозное явление произошло в безлюдном районе Сибири и почти никто из людей не пострадал.

К сожалению, из-за войн и революций исследование района Тунгусского взрыва началось только через 20 лет. К удивлению ученых, они не обнаружили в эпицентре никаких, даже самых незначительных обломков упавшего тела. После многократных и тщательных исследований Тунгусского события большинство специалистов считает, что оно было связано с падением на Землю ядра небольшой кометы.

Дождь каменных метеоритов выпал 6 декабря 1922 г. близ села Царев (ныне Волгоградской области). Но его следы были обнаружены только летом 1979 г. Собрано 80 осколков общим весом 1,6 тонны на площади около 15 кв. км. Вес крупнейшего фрагмента составил 284 кг. Это наибольший по массе каменный метеорит, найденный в России, и третий в мире.

К числу самых крупных, наблюдавшихся при падении метеоритов, относится Сихоте-Алиньский. Он упал 12 февраля 1947 г. на Дальнем Востоке в окрестностях хребта Сихоте-Алинь. Вызванный им ослепительный болид наблюдали в дневное время (около 11 ч утра) в Хабаровске и других местах в радиусе 400 км. После исчезновения болида раздавались грохот и гул, происходили сотрясения воздуха, а оставшийся пылевой след медленно рассеивался около двух часов. Место падения метеорита быстро обнаружили по сведениям о наблюдении болида из разных пунктов. Туда немедленно отправилась экспедиция Академии наук СССР под руководством акад. В.Г. Фесенкова и Е.Л. Кринова - известных исследователей метеоритов и малых тел Солнечной системы. Следы падения были хорошо видны на фоне снежного покрова: 24 кратера диаметром от 9 до 27 м и множество мелких воронок. Оказалось, что метеорит еще в воздухе распался и выпал в виде "железного дождя" на площади около 3 кв. км. Все найденные 3500 обломков состояли из железа с небольшими включениями силикатов. Крупнейший фрагмент метеорита имеет массу 1745 кг, а общая масса всего найденного вещества составила 27 т. По расчетам начальная масса метеороида была близка к 70 тоннам, а размер - около 2,5 м. По счастливой случайности этот метеорит также упал в ненаселенном районе, и никто не пострадал.

В Башкирии, близ г. Стерлитамак очень яркий болид наблюдали 17 мая 1990 г. в 23 ч 20 мин. Очевидцы сообщили, что на несколько секунд стало светло, как днем, раздались гром, треск и шум, от которых зазвенели оконные стекла. Сразу после этого на загородном поле обнаружили кратер диаметром 10 м и глубиной 5 м, но нашли только два относительно небольших фрагмента железного метеорита (весом 6 и 3 кг) и много мелких. К сожалению, при разработке этого кратера с помощью экскаватора был пропущен более крупный фрагмент этого метеорита. И только год спустя дети обнаружили в отвалах грунта, извлеченного экскаватором из кратера, основную часть метеорита весом 315 кг.

20 июня 1998 г., около 17 часов в Туркмении, близ города Куня-Ургенч днем при ясной погоде упал хондритовый метеорит. Перед этим наблюдался очень яркий болид, причем на высоте 10-15 км произошла вспышка, сравнимая по яркости с Солнцем, раздался звук взрыва, грохот и треск, которые были слышны на расстояние до 100 км. Основная часть метеорита весом 820 кг упала на хлопковое поле всего в нескольких десятках метров от работавших на нем людей, образовав воронку диаметром 5 м и глубиной 3,5 м.

И наконец, о последних событиях. Одно из них также произошло на территории России, Согласно оценкам НАСА, при входе в атмосферу вблизи Челябинска небесное тело достигало размера 17 метров при массе 10 тысяч тонн. Скорость составляла от 30 до 50 км/с, через 32,5 секунды после входа в плотные слои метеорит взорвался в небе над Челябинском на высоте 60–70 км. Это произошло в 7:22 утра по московскому времени 15 февраля 2013 года.