Метеориты
Если в атмосферу планеты вторгается крупное небесное тело — болид, то оно не успевает сгореть в атмосфере и падает на поверхность. Вес таких тел должен быть несколько тысяч тонн. Упавшие на поверхность планеты небесные тела называются метеоритами. Их движение по небу сопровождается полетом огненного шара, громом. На земле образуется кратер. Наибольший метеорный кратер на Земле имеет диаметр 1265 м. и расположен в Аризоне, около каньона Диабло. Вокруг кратера были обнаружены железное обломки весом до 30т.
Считается, что здесь 27 тыс.лет назад упал метеорит массой 2 млн. т.
Метеориты представляют собой обломки неправильной формы, покрытые тонкой коркой плавления. Наиболее распространенными элементами метеоритов являются кислород, железо, кремний, магний, никель и др. Всего в метеоритах обнаружено 66 минералов. Особый интерес представляют органические соединения, обнаруженные в метеоритах.
По составу метеориты делятся на железные (сидериты), железо- каменные (сидеролиты) и каменные (аэролиты).
Железные метеориты состоят в основном из никелистого железа, причём доля никеля может достигать 40%. В земных условиях естественный сплав железа с никелем не встречается, что говорит об их космическом происхождении. Железные метеориты составляют всего 5,7% от общего числа всех метеоритов. Но в коллекциях их доля значительно выше, что, в первую очередь, связано с тем, что они меньше чем другие классы метеоритов подвержены разрушительному действию окружающей среды.
Каменные метеориты состоят из силикатов (оливина, пироксена). Характерной особенностью основного типа каменных метеоритов — хондритов — является наличие хондр. Хондры — округлые образования диаметром 1 мм, состоят из оливина и пироксена, располагающихся радиально. Эти зерна — продукты сложных процессов дифференциации вещества. Ахондриты, второй тип каменных метеоритов, зернистой структуры не имеют, обладают кристаллической структурой и сходством с земными изверженными породами. Хондриты — самые распространённые среди всех метеоритов (свыше 85% от общего числа). Ахондритов значительно меньше чем хондритов — около 7%. Таким образом, среди всех классов метеоритов преобладают каменные, которые составляют 92% от всех метеоритов.
Железо- каменные метеориты — это обломки никелистого железа с вкраплениями зерен силикатов. Это самые редкие среди всех классов метеоритов (всего 1,5% от общего числа).
До тех пор пока метеорит не достиг Земли, его называют метеороидом.
Явления вторжения космических тел в атмосферу имеют три основные стадии:
1) Полёт в разреженной атмосфере (до высот около 100- 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 нахождения движения 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). Иногда под напором воздуха метеор дробится на множество фрагментов. Проходя сквозь атмосферу, он теряет от 10 до 90% начальной массы. Внутри метеорит остаётся холодным, так как не успевает разогреться за тот промежуток времени, в течении которого происходит падение.
3) Приближение к поверхности Земли. 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.
Для того чтобы охарактеризовать движение космического тела в атмосфере Земли применяют следующие уравнения, которые следуют из законов ньютоновской механики, барометрической формулы и некоторых других постулатов. Уравнения одинаковы для 2 указанных выше стадий движения "космического пришельца" в атмосфере, с той лишь разницей, что первая стадия соответствует числу Кнудсена Kn >0.1 ,а вторая стадия — Kn < 0.1.
Итак приступим к рассмотрению движения космического тела в пределах атмосферы Земли. В течении первой стадии полёта метеороида изменением массы можно приберечь, так как абляции и разрушения его практически нет. Сначала необходимо рассмотреть уравнения движения, которые рассчитываются по законам ньютоновской механики:
, где m
— масса метеорита,
v — скорость,
Θ — угол наклона вектора скорости к поверхности Земли,
g — ускорение силы
тяжести,
ρ — плотность атмосферы в точке,
A πre2
— площадь поперечного
сечения метеорита (площадь миделя),
z — высота, отсчитываемая
от уровня моря,
t — время ,
CD — коэффициент сопротивления воздуха ,
Rз — радиус
Земли.
Затем изменение плотности воздуха с высотой находится по барометрической формуле:
,где ρ — плотность на уровне моря. Коэффициент CD можно считать зависящим от числа Кнудсена, причём он убывает с высотой и меняется в пределах 2 > CD > 0.92 при изменении Kn от 10 до 0.1
Так как влетающий в атмосферу метеороид холодный (температура его внутренних частей ниже температуры окружающей среды), то можно считать, что энергия при его движении состоит только из кинетической. В классической механике кинетическая энергия материальной точки массы m, движущейся со скоростью v, равна 1/2 mv2. Если по этой формуле рассчитать кинетическую энергию метеороида, то получается, что метеориты, при своём движении, подобны молниям, т.к. при непродолжительном промежутке времени выделяется огромное количество энергии. Для “сгорающих” метеоритов (метеоров) есть и внешнее сходство: они сверкают в небесной выси, как молнии. Очевидцы, наблюдавшие падение метеоритов, слышали и раскаты грома; баллистическая волна распространялась в атмосфере, подобно грозовой ударной волне.
Метеориты делят на «упавшие» и «найденные». Если человек видел, как метеорит падал сквозь атмосферу и затем действительно обнаружил его на земле, то такой метеорит называют «упавшим». Если же он был найден случайно и опознан, что типично для железных метеоритов, то его называют «найденным». Метеоритам дают имена по названиям мест, где их нашли. В некоторых случаях обнаруживается не один, а несколько осколков.
Большинство метеоритов в музеях и частных коллекциях являются находками, среди которых заметно преобладают железные метеориты, а доля каменных значительно ниже.
Масса метеоритов колеблется от нескольких граммов до нескольких сотен тонн. Самый крупный метеорит «Гоба» был найден в юго- западной Африке в 1920 г., его масса 60 т. Иногда, при движении в плотных слоях атмосферы, метеориты дробятся на отдельные обломки. Так общий вес осколков одного из крупнейших железных метеоритов, Сихотэ- Алинского, упавшего 12 февраля 1947 г., достиг 23 т, причём найдены были не все осколки.
Химические соединения, присутствующие в метеоритах, и их кристаллическая структура показывают, что метеоритное вещество сформировалось в условиях высоких давлений, и температур.
Это означает, что метеориты входили когда- то в состав крупных тел, имевших большие размеры. По современным представлениям — это были обломки крупных астероидов разного типа. Один из типов — хондриты — вообще представляет собой слабоизменённое первичное вещество Вселенной. Именно в хондритах обнаружены остатки органических веществ.
По относительному содержанию радиоактивных элементов и продуктов их распада можно определить возраст метеоритов. Для разных образцов он получается различным и колеблется обычно в пределах от нескольких сотен миллионов до нескольких миллиардов лет. В среднем возраст метеоритов оценивается в 5- 4,6 млрд. лет.
Сбор и изучение метеоритов имеют большой научный интерес. Ежесекундно в сторону Земли направляется около 100 млрд. метеоров, а на поверхность планеты выпадает около 2000 метеоритов ежегодно.
