С небес на землю

Чем больше космическое тело, тем хуже оно тормозится при взаимодействии с атмосферой. В зависимости от плотности, прочности, размеров, скорости и угла входа в атмосферу, а также от того, как развиваются дальнейшие события, все космические тела можно разбить на несколько групп.

Первая – микрометеороиды, которые полностью сгорают в верхних слоях. К этой категории причислим небольшие (до нескольких десятков сантиметров) тела, имеющие скорость более 20-22 км/сек. В конечной стадии их полета происходит как бы множественное дробление, нередко сливающееся в единый взрывной процесс. Его протекание зависит от угла входа, характеристик вещества и, конечно, скорости. 

Ко второй категории можно отнести тела, выпадающие на поверхность нашей планеты в виде метеоритов. Обязательное условие – относительная скорость не более 20 км/сек и размеры не более нескольких метров. Эта категория также в зависимости от угла и скорости входа, плотности и прочности может быть разбита на две или даже три отдельных класса. Рассмотрим их «по росту» – внутри этой категории от величины метеороида зависят происходящие с ним события.

Небольшие тела (до нескольких десятков сантиметров) при скорости менее 20 км/сек могут выпасть в виде одиночного метеорита, без дробления, при этом достаточно эффективно будет осуществляться торможение. Сначала на высоте 100–120 км появляется болид. Несмотря на сильнейшее разрежение атмосферы, сопротивление воздуха (благодаря огромной скорости) так сильно, что поверхность метеорного тела сильно нагревается и начинает светиться. Далее, при вхождении в более плотные слои атмосферы, метеорное тело испытывает абляцию – сдув и потерю расплавленного вещества. После полного торможения метеороид на мгновение как бы останавливается и достигает так называемой области задержки. Там он теряет остатки космической скорости и падает с ускорением свободного падения – так же, как, скажем, предмет, выброшенный из самолета. Область задержки для одиночных падений находится на высотах от 25 до 5 км – опять же, в зависимости от размеров, скорости, угла наклона траектории и угла входа в атмосферу (этот параметр случаен, не подвержен закономерностям). Чем меньше угол входа, тем (при прочих одинаковых условиях) выше будет располагаться область задержки, потому что чем большее расстояние проходит метеороид в атмосфере, тем большим нагрузкам он подвергается и тем раньше (то есть выше) полностью затормаживается.

Вторая разновидность выпадения твердых тел на поверхность Земли – это однократное дробление при полете в атмосфере и выпадение нескольких индивидуальных фрагментов метеорита. В зависимости от количества фрагментов различают групповое падение (до шести) и метеоритный дождь (более шести). Дробление очень зависит от состава: железные метеориты даже относительно крупных размеров (до нескольких десятков сантиметров) выпадают в виде одиночного падения. Напротив, даже небольшие углистые хондриты могут дробиться на множество частей и обычно не образуют групповых падений, а выпадают в виде метеоритных дождей.

Третья разновидность выпадения – многократное дробление космического тела. Суть происходящего здесь такова: после первой фазы дробления фрагменты не затормаживаются, быстро преодолевая область задержки, а сохраняют часть космической скорости (ввиду большого размера) и продолжают испытывать значительное давление от взаимодействия с атмосферой. Происходит следующая фаза дробления, а если первоначальная скорость была велика – то и третья фаза. Именно так развивались события в феврале 1947 года при падении Сихотэ-Алиньского метеорита, который перед приземлением рассыпался на сотни тысяч фрагментов. Весьма интересна бывает морфология коры плавления, которая остается на различных поверхностях дробления. На материале падения в Сихотэ-Алине детали строения таких поверхностей были хорошо изучены. Наиболее развитой была кора плавления первого рода, находящаяся на внешних краях единого космического тела, которое вошло в атмосферу: эти части подвергались абляции с самого начала. После первой фазы дробления на внутренних поверхностях раскола между фрагментами образуется кора плавления второго рода. Из-за непродолжительной атмосферной «обработки» она может иметь несколько недоразвитый шлаковидный характер. Кора плавления третьего рода будет еще более «недоразвитой» – с отдельными точечными расплавленными участками на поверхности. Она возникает в результате дальнейшего дробления крупных частей на третичные фрагменты. В принципе, при достаточной скорости они могут дробиться и дальше. Таким образом,  у выпавших на землю фрагментов может быть кора плавления разных родов.

Кроме коры плавления, отличительными признаками индивидуального фрагмента являются так называемые регмаглипты – ямки на поверхности величиной около одной десятой его полного размера. Причем на корах плавления от разных стадий дробления размеры регмаглиптов соответствуют размерам исходного индивидуального фрагмента перед дроблением. Получается, на одном индивидуальном фрагменте может быть и кора плавления разных родов, и регмаглипты разной величины.

Следует подчеркнуть, что первое дробление всегда предшествует области задержки, а кора плавления полностью застывает в свободном полете сразу после ее преодоления. Пройдя область задержки, облако индивидуальных фрагментов падает на поверхность Земли с ускорением свободного падения. Из-за различной динамики полета массивные куски тормозятся хуже и до возможной последующей фрагментации летят дальше, а сравнительно небольшие по размерам фрагменты затормаживаются быстрее, и порожденные ими эллипсы рассеяния располагаются ближе к проекции начальной точки траектории метеороида. На схеме падения Сихатэ-Алинского метеорита видно, что часть небольших фрагментов первой фазы дробления выпадает без дальнейшего «измельчения». 

В этом случае мы имеем дело с множественными эллипсами рассеяния. Эллипс рассеяния – это вытянутая по длине область земной поверхности, на которую падают индивидуальные фрагменты метеорита. В случае многократного дробления один эллипс рассеяния накладывается на другой с некоторым смещением, характер которого во многом зависит от угла наклона траектории и высоты фаз дробления.

Если рассматривать простой одиночный эллипс рассеяния, то участок, где должны выпасть наиболее крупные экземпляры, называется головным, а тыловым – тот, где выпадут самые маленькие. Обычно направление большой оси эллипса совпадает с направлением движения метеорного тела в атмосфере. Форма эллипса рассеяния (длина его большой оси) зависит от наклона траектории болида по отношению к поверхности земли. Чем положе траектория, тем более вытянутую форму принимает эллипс, тем длиннее оказывается его большая ось, достигая трех и более десятков километров. Максимальное значение большой оси превышает 100 км. При крутой траектории эллипс приближается к окружности, достигая нескольких километров в поперечнике. 

Как по внешнему виду найденного фрагмента отличить индивидуальное падение от группового и от метеоритного дождя? При одиночном падении у метеороидов ориентированная форма и сглаженные, как бы обкатанные поверхности, покрытые хорошо развитой корой плавления. Если при этом на боковых сторонах хорошо выражены регмаглипты резко вытянутой формы наподобие желобков, то можно считать, что метеорит выпал в единственном экземпляре, а значит, поиски других «кусочков» бесполезны. Несимметричная неориентированная форма, явные следы раскола, разного рода коры плавления и регмаглипты различных размеров – повод искать другие фрагменты. В случае ориентированной формы единственного индивидуального фрагмента на лицевой и тыльной стороне также возможно наличие коры плавления разной интенсивности. Так произошло, например, с метеоритом «Усть-Нюкжа», найденным в 1991 году в Амурской области. Кстати, его космическая природа была определена автором этой статьи. 

Выше мы рассматривали различные случаи либо практически полного испарения космического тела в атмосфере, либо достижения им – в том или ином виде – поверхности Земли. Если же размеры метеороида превышают 10–20 метров, то при достаточно небольшой скорости и пологом угле входа в атмосферу тело достигнет Земли еще с космической скоростью. Для небольших и сравнительно рыхлых тел это не отменяет дробления в атмосфере. Однако при малых углах входа и большой скорости произойдет взрывное высотное разрушение, при котором твердые фрагменты поверхности Земли не достигнут, а будут нацело испарены в атмосфере. Исследователям импактных явлений (то есть столкновений) известно несколько кратерных полей, образовавшихся при взрывном столкновении распавшихся фрагментов с поверхностью Земли: знаменитое кратерное поле на острове Сааремаа в Эстонии, четыре кратера Вабор в Саудовской Аравии, большое кратерное поле Кампо-дель-Сиело в Аргентине с более чем сотней кратеров, группа из 13 кратеров Хенбери в Северной территории Австралии, двойной кратер Лонар в Индии. Во всех этих случаях дробление первоначально единого маленького метеороида уже произошло, но образовавшиеся фрагменты сохраняли остатки космической скорости. Характеристики расположения кратеров аналогичны расположению небольших метеоритов, проходящих область задержки и полностью затормаживающихся. Из-за меньшего торможения больших тел в атмосфере, как правило, до столкновения с Землей происходит только однократное дробление, что обеспечивает наличие одного простого эллипса рассеяния. Количество фрагментов очень зависит от состава метеороида. Лучше всего и в этом случае дробятся малосвязные углистые хондриты, несколько хуже это происходит с обычными хондритами, составляющими большинство наблюдаемых падений. Наименее подвержены дроблению железные метеороиды. Скажем, если бы тело, образовавшее взрывной километровый Аризонский кратер, состояло из материала углистого хондрита, то, вероятно, имело бы место дробление на большое количество частей, образовавших значительное кратерное поле. 

Крупные космические тела образуют не кратерные поля, а двойные кратеры – например, Каменская и Гусевская астроблемы на востоке Украины диаметром 20 и 3 км соответственно; время их образования – около 65 млн лет назад. Еще пример – три кратера Аорунга возрастом 345 млн лет. Возможно, в некоторых случаях происходит наложение кратера от большего фрагмента метеороида или ядра кометы на меньший и их взаимное поглощение, так что, как обычно, виден только один большой кратер. 

Ну а что же случилось утром 15 февраля 2013 года над Южным Уралом? Исследования этого замечательного явления будут продолжаться еще многие месяцы, а анализ займет годы, но уже сейчас, исходя из вышеизложенного, можно с уверенностью утверждать: в 9 часов по местному времени со стороны Солнца, с востока-юго-востока (приблизительный азимут около 100o) в атмосферу Земли вошел метеороид. Угол входа составил около 20o, что обеспечило космическому телу длительное взаимодействие с плотными слоями атмосферы. Размеры тела составили, по разным оценкам, от 3 до 15 м. Относительная скорость входа в атмосферу, по различным данным, – от 18 до 23 км/сек. В погожий солнечный день болид стал виден на высоте приблизительно 60 км. Как мы уже знаем, обычно космические тела загораются в 110 км над землей, но понятно, что солнечный свет помешал увидеть еще недостаточно яркое тело, пока оно находилось выше. Приблизительно в 30 км до земли началось взрывоподобное дробление, достигшее своего максимума примерно в 23 км. Вероятно, взрывная волна, повредившая здания в Челябинске и окрестностях, возникла именно в максимальную фазу дробления, отмеченную световой вспышкой. Проявлением данного события являлось также небольшое землетрясение магнитудой 2–3 балла. При этом важно подчеркнуть, что болид и в полете до дробления, и во время него, и некоторое время после, сохраняя остатки космической скорости, летел по прямолинейной траектории. Лишь после того, как прекратилось свечение, компактно летящие фрагменты преодолели область задержки. Они полностью затормозились и под ускорением выпали в виде метеоритов на поверхность Земли. Несомненно, дробление носило множественный характер. Из-за этого на поверхности Земли расположены множественные эллипсы рассеяния фрагментов последней стадии дробления, которые налагаются друг на друга. Многие фрагменты уже найдены и определены как обыкновенные хондриты достаточно редкого минералогического подтипа. 

Появляются первые научные работы, посвященные выяснению точных параметров орбиты этого космического тела; колумбийские ученые определили его принадлежность к астероидам околоземной группы Атона. Как сообщили в Лаборатории метеоритики Института геохимии и аналитической химии имени Вернадского РАН, в процессе исследования образцов метеоритного дождя выяснилось, что экземпляры имеют разный состав (хондрит, брекчия, ударный расплав), а сам метеорит представляет собой ударно-расплавленную брекчию.

Таким образом, ничего загадочного в этом событии нет. Кроме реакции местных властей, но они нам, как правило, и без метеоритов кажутся «космическими».