Космические камни, достигающие поверхности Земли, проходят гораздо более сложный и разрушительный путь, чем предполагалось ранее. Изучив видеозаписи и фотографии 75 падений метеоритов, исследователи выделили семь этапов их взаимодействия с атмосферой. Оказалось, что ключевую роль в потере массы и замедлении космических тел играют не только испарение, но и плавление с последующим разрушением на фрагменты.

Результаты исследования опубликованы в журнале Meteoritics & Planetary Science. Они помогают лучше понять, как метеориты переживают прохождение через атмосферу, а также проливают свет на поведение более крупных астероидов, способных взрываться в воздухе.

«Раньше мы думали, что твёрдые камни испаряются из-за огромного нагрева и яркого свечения при столкновении с атмосферой. Однако мы обнаружили, что потерю массы определяют прежде всего плавление, а затем фрагментация», — рассказал ведущий автор исследования Питер Дженнискенс, астроном-метеорщик из Института SETI и Исследовательского центра NASA имени Эймса.

От светящейся полосы до огненного шара

Как рассказывает ScienceDaily, на первом этапе космический камень входит в атмосферу на большой высоте. Когда воздух становится достаточно плотным, перед объектом возникает ударная волна. Столкновения с молекулами воздуха нагревают как поверхность камня, так и окружающий газ. Они начинают светиться, образуя яркий след, который наблюдатели называют метеором, или падающей звездой.

На втором этапе объект движется через всё более плотные слои атмосферы, и его свечение усиливается. Иногда яркость периодически меняется: такие колебания позволяют оценить скорость вращения космического тела. Среди самых быстро вращавшихся объектов, рассмотренных в исследовании, полный оборот занимал от половины секунды до пяти секунд.

На третьем этапе метеор превращается в яркий огненный шар — болид. Именно тогда плавление становится главным механизмом потери вещества. Поток воздуха срывает с поверхности расплавленный материал, который отделяется в виде капель и затем испаряется.

Исследователи отмечают, что лабораторные эксперименты пока не позволяют полностью воспроизвести условия естественного входа космического тела в атмосферу на огромной скорости. По словам Эрика Стерна, ранее работавшего в NASA Ames, а теперь занимающего должность главного научного сотрудника Hyperspace Technologies, если бы основным процессом было интенсивное разрушение камня на части, наблюдаемая закономерность изменения яркости болидов выглядела бы иначе.

Четвёртый этап начинается примерно на высоте 60 километров. Плавление достигает относительно устойчивого режима, а яркость болида перестаёт резко меняться или увеличивается более равномерно. По расчётам учёных, одно только плавление в конечном счёте может привести к потере до 40% первоначальной массы камня.

Почему космические камни раскалываются

По мере снижения плотность воздуха растёт, и давление на переднюю поверхность космического тела усиливается. Это приводит к появлению трещин и отделению фрагментов. Так начинается пятый этап, во время которого разрушение может сопровождаться повторными вспышками света.

Одним из неожиданных результатов стало то, что фрагментация начинается при сравнительно небольшом давлении. По данным исследователей, камни могут раскалываться, когда давление воздуха на их переднюю поверхность достигает лишь примерно одной пятой прочности, измеренной у метеоритов, найденных на Земле.

Учёные предполагают, что причиной может быть сочетание нескольких факторов: нагрев ослабляет материал во время входа в атмосферу, а трещины, возникшие при прежних столкновениях в космосе, делают его более уязвимым.

На этом этапе оставшееся тело быстро уменьшается в размерах и заметно теряет скорость. Чем сильнее оно раскалывается, тем интенсивнее замедляется. Соавтор исследования Стю Пилорз из Института SETI отмечает, что наблюдаемое замедление при разрушении удалось связать с математическими моделями, ранее описывавшими потерю вещества при прохождении через атмосферу.

Форма камня также влияет на то, где окажутся его обломки. Если задняя часть тела остаётся целой, за ней образуется область пониженного давления, которая помогает удерживать небольшие фрагменты рядом с основным объектом.

«Наше моделирование показывает, что, пока задняя часть космического камня остаётся целой, за ним возникает область разреженного воздуха, в которую стремятся попадать фрагменты. Поэтому небольшие метеориты падают на землю узкой полосой», — объясняет соавтор работы Даррел Робертсон из Исследовательского центра NASA имени Эймса.

Последняя вспышка и падение метеоритов

Шестой этап начинается, когда окончательно разрушается задняя часть основного тела. Этот разлом вызывает яркую вспышку и разбрасывает фрагменты с большей относительной скоростью.

К этому моменту космический объект уже существенно замедляется. Поэтому последние вспышки обычно имеют красноватый оттенок, в отличие от ярких зелёных вспышек, которые можно наблюдать на более ранних этапах полёта.

«Последнее разрушение разбрасывает фрагменты с большей относительной скоростью», — говорит Дженнискенс. По его словам, наблюдения предыдущих падений показали, что метеориты массой более 20 граммов часто оказываются разбросаны по более широкой территории. Многие из них, вероятно, отделяются от областей, расположенных ближе к поверхности исходного космического тела, в частности к его задней части.

На заключительном, седьмом этапе оставшиеся фрагменты продолжают плавиться и разрушаться, одновременно теряя скорость. Когда они замедляются настолько, что перестают излучать видимый свет, плавление прекращается. На поверхности образуется тонкая тёмная корка плавления — следствие кратковременного воздействия высоких температур.

Затем фрагменты завершают падение уже без светящегося следа. При этом атмосферные ветры могут отклонить их от первоначальной траектории, повлияв на место приземления.

Что падения метеоритов говорят об опасных астероидах

Исследователи проанализировали 75 зарегистрированных случаев падения метеоритов разных типов. Сопоставляя наблюдения, они смогли определить высоты, на которых космические тела переходят от одного этапа к другому.

Полученные данные важны не только для понимания того, как небольшие камни достигают поверхности Земли. Они также помогают изучать более крупные астероиды — от размеров автомобиля до объектов, сопоставимых с городскими кварталами, — которые могут взрываться в атмосфере и вызывать мощные воздушные взрывы.

Измеряя, как твёрдые космические тела теряют скорость и распадаются при входе в атмосферу, учёные смогут точнее описывать процессы, определяющие последствия подобных событий.

«Астероиды размером до нескольких десятков метров тоже представляют собой твёрдые камни: они обычно вращаются быстрее, чем более крупные астероиды, состоящие из рыхлых скоплений обломков», — объясняет Дженнискенс.

По его словам, астероид диаметром около 20 метров, вызвавший воздушный взрыв над Челябинском в 2013 году, прошёл через те же семь этапов. Поэтому понимание механизмов плавления и фрагментации небольших космических тел может помочь учёным оценивать поведение астероидов, представляющих потенциальную опасность для Земли.