Астероиды и метиориты

АСТЕРОИДЫ И МЕТЕОРИТЫ

Довольно часто на небе появляются космические пришельцы. Их размеры исчисляются от нескольких сотен метров до тысячи километров. Это астероиды и кометы

Астероиды, или малые планеты, обращаются между орбитами Марса и Юпитера, и невооруженным глазом невидимы

Наиболее крупные из астероидов - Церера ( d =1050 км = это почти территория штата Техас, США), Паллада ( d =608 км), Веста ( d =538 км) и Гигея ( d =450 км). Может быть, астероиды возникли потому, что по какой-то причине веществу не удалось собраться в одно большое тело- планету, возможно также, что бывшая когда-то здесь планета распалась и астероиды - её остатки. На эту мысль наводит и   то, что ряд астероидов имеют не шарообразную, а неправильную форму. Суммарная масса астероидов оценивается всего лишь в 0,1 массу Земли, а следовательно этой массы не хватает для образования планеты как Земля

Кометы тоже входят в состав солнечной системы. Вполне логична мысль о том, что кометы появились вместе с ней или в ней, хотя точного ответа о происхождении комет нет. По гипотезе голландского ученого Оорта, кометы образуют огромное облако, простирающееся далеко за пределы орбиты Плутона. Возмущения, производимые ближайшими светилами, «вталкивают» некоторые из комет внутрь солнечной системы. Кометы вследствие столкновения с ними астероидов или других космических тел, или под влиянием солнечных приливов распадаются на метеоритные потоки, которые состоят из мельчайших метеорных тел, видимых лишь в момент испарения в земной атмосфере. Когда Земля проходит сквозь метеорный поток, наблюдается явление, называемое «метеорным дождём»

Кометы состоят из маленьких (по космическим меркам) ядер, размеры которых составляют несколько десятков километров. Ядро кометы состоит из смеси пылинок, твердых кусочков вещества, и замерзших газов, таких как углекислый газ, аммиак и метан. При приближении к солнцу ядро прогревается, и из него выделяются газы и пыль. Они образуют вокруг ядра газовую оболочку, которая вместе с ядром составляет голову кометы. Газы и пыль, выбрасываемые из ядра в голову кометы, отталкиваются под действием давления солнечного света и потоков солнечного ветра от Солнца и создают «хвост» кометы

О составе астероидов можно судить по составу метеоритов, выпадающих на поверхность Земли

В зависимости от состава, все известные метеориты подразделяются на три основных класса:

каменные (аэролиты);

железо-каменные (сидеролиты);

железные (сидериты)  

 

Средний химический состав метеоритов разных классов (в %):

таблица 1  

 

элемент	железные метеориты	железо-каменные метеориты	каменные метеориты
Fe	90,86	55,33	15,5
Ni	8,5	5,43	1,1
Co	0,6	0,3	0,08
Cu	0,02	-	0,01
P	0,17	-	0,1
S	0,04-0,5	-	1,82
O	-	18,55	41
Mg	0,03	12,33	14,3
Ca	0,2	-	1,8
Si	0,01	-	21
Na	-	-	0,8
K	-	-	0,07
Al	-	-	1,56
Mn	0,05	-	0,16
Cr	0,01	-	0,4
Ti	-	-	0,12

 

  

Во всех метеоритах можно выделить три раздельно существующих части или фазы:

железо-никелевую (металлическую ),

сульфидную ( троилитовую ),

каменную ( силикатную).

По существу, все метеориты, можно рассматривать как сочетание силикатной или металлической фаз, иногда с примесью (большей или меньшей) сульфидной - троилитовой фазы

Каменные метеориты состоят преимущественно из силикатных минералов, железные - из никелистого железа, железо-каменные примерно из равных количеств силикатной и металлических фаз

Очевидно, что чаще всего выпадают каменные метеориты, среди которых резко преобладают   хондриты, составляющие в общем 85% всех известных метеоритов. Железные метеориты выпадают значительно реже, но в виде значительно крупных обломков, по массе превышая все другие известные типы метеоритов. Каменные метеориты выпадают иногда в виде «каменного дождя», который образуется при дроблении более крупной первоначальной массы при полёте через атмосферу в связи с резким и сильным нагревом

Средний элементный состав метеоритного вещества в %                    ( таблица 2)

элемент	железо-никель металлическ.фаза	троилит сульфидная фаза	каменная силикатная фаза	средний состав метеоритного в-ва
O	-	-	43,12	32,3
Fe	90,78	61,1	13,23	28,8
Si	-	-	21,61	16 , 3
Mg	-	-	16,62	12,3
S	-	34,3	-	2,12
Ni	8,59	2,88	0,39	1,57
Al	-	-	1,83	1,38
Ca	-	-	2,7	1,33
Na	-	-	0,82	0,6
Cu	-	0,12	0,36	0,34
Mn	-	0,046	0,31	0,21
K	-	-	0,21	0,15
Ti	-	-	0,1	0,113
Co	0,63	0,208	0,02	0,12
P	-	0,305	0,17	0,11

 

   

По данным таблиц 1 и 2 можно отметить, что метеориты в основном сложены из немногих химических элементов- O , Si , Mg , Fe , S , Al , Ni . На первый план выступают четыре главных элемента: O , Si , Mg , Fe , которые чаще всего слагают свыше 90% массы любого метеорита

В метеоритах, в настоящее время, установлено присутствие 140 минералов, большинство которых сходны с минералами земной коры

Метеориты с большими массами тормозятся атмосферой относительно слабо и достигают поверхности с такой скоростью, что при ударе о неё они сильно изменяются, а на месте их падения остаётся кратер

Такие кратеры называют « АСТРОБЛЕМАМИ».

Термин «астроблема» был предназначен для обозначения структур, возникающих в точках соударения метеоритов с поверхностью Земли ( DIETZ 1960), и в буквальном переводе с греческого означает «звёздная рана»  

 

Как образуется кратер  

 

Размер, радиус R кратера, который образуется при сверхзвуковом столкновении метеорита с поверхностью, можно приближенно установить из подсчёта того, на что расходуется энергия метеорита : E = mv ² /2 . Скорость ( v ) вхождения метеорита в атмосферу Земли немного превышает вторую космическую скорость 11,2 км/с, затем она снижается от торможения в атмосфере (поэтому в дальнейших оценках будем считать скорость столкновения метеорита с земной поверхностью равной 10 км/с). Энергия метеорита ( Е ) зависит, таким образом, в основном от его массы ( m ), которая может изменяться в очень широких пределах

Эта энергия тратится , во-первых, на разрушение, дробление и минеральные изменения горных пород в объеме кратера и на разрушение(вплоть до испарения) самого метеорита, Сразу нужно отметить, что при сверхзвуковом ударе размер кратера окажется значительно большим, чем размер самого метеорита, поэтому затраты энергии будут связаны с образованием кратера, а   не с изменением самого метеорита. Во-вторых, часть начальной энергии переходит в кинетическую энергию выбрасываемых из кратера горных пород. В-третьих, есть еще расход на энергию звуковых волн, уходящих в глубь Земли и в атмосферу. Есть, наконец, тепловая энергия, т.е. энергия, уходящая на нагревание, а при мощных взрывах- на частичное плавление и даже испарение горных пород. Однако учитывать её как независимое слагаемое при подсчёте баланса первичной энергии было бы неверным. Ведь вся (практически вся) энергия метеорита уходит в конечном счёте именно на нагревание горных пород, пройдя перед этим через другие механические формы. Оговорка «практически» связана с изменением в результате столкновения с метеоритом скорости движения всей Земли и скорости её вращения. Они ничтожны даже при столкновении Земли с большим астероидом

Расход энергии Е 1 на разрушение пород пропорционален объёму кратера. Будем считать объём равным примерно R . На что следует его умножить, чтобы получить работу разрушения? Энергия разрушения есть объём, умноженный на предел прочности горных пород σ m , то есть Е 1 ≈ σ mR ³ . При оценках размеров кратеров будем считать σ m равным пределу прочности осадочных пород σ m =10000000 Н/м ² . В качестве порядка величины плотности примем: r =3 x 10 ³ кг/см ³ .

Второй возможный расход энергии Е 2 идёт на выброс горных пород из кратера. Перемещение большей части массы при образовании кратера происходит на расстоянии порядка его радиуса R . Для такого перемещения масс в поле тяжести начальная скорость разлёта U 0 должна по порядку величины быть равной U 0 ≈ √ gR . Полная масса выброшенных из кратера пород есть mk = r R ³ . Поэтому затраты на кинетическую энергию горных пород, или, другими словами, затраты на выброс, есть E 2 ≈ m k x U ² о ≈ r g ( R ² ) ²

Энергетические расходы на звуковые волны E 3 всегда бывают малы по сравнению с E 1 и E 2. Физическая причина этого состоит в том, что при любом сверхзвуковом столкновении сначала возникает ударная волна. Что это такое? Это   сильное сжатие, перепад плотности, распространяющееся в материалах со скоростью, большей скорости звука и тем большей, чем сильнее это сжатие. Именно ударная волна на своём пути производит все описанные явления: и разрушения, и ускорение вещества. Интересно, что даже при наклонном падении метеорита образуется почти симметричный кратер-все кратеры одного размера схожи между собой. Это происходит потому, что ударная волна распространяется от точки удара практически одинаково, независимо от его направления. Только тогда, когда основная энергия ударной волны окажется израсходованной, когда сжатие в волне станет слабым, а скорость- равной скорости звука, она переходит в обычную акустическую, звуковую волну. Волна является ударной примерно в объёме кратера, а звук убегает с малым затуханием на большие расстояния (по всей планете)

Итак, главные первичные энергетические затраты есть Е 1 и Е 2. Теперь напишем приближённое уравнение энергетического баланса при падении метеорита. Оно позволит определить порядок величины радиуса кратера: Е » σ mR ³ + r g ( R ² ) ² .

Два слагаемых уравнения по-разному зависят от радиуса кратера R . Поэтому при малых энергиях для малых кратеров главным оказывается первый член, а для больших -второй. Кратеры первого типа называют ПРОЧНОСТНЫМИ , а второго- ГРАВИТАЦИОННЫМИ. Критическим радиусом разделяющим те и другие, будет R 0 = 3 x 10 ² м , а масса метеорита, образующего кратер критического радиуса, по порядку величины есть m o = 3000000 кг .

Падение таких и больших метеоритов- достаточно редкое событие, но поскольку след его остается на земной поверхности на времена геологических масштабов, то общее число обнаруженных на сегодня гравитационных кратеров около ста

Теперь рассмотрим, как разогреваются горные породы при образовании кратеров. Надо иметь в виду, что этот разогрев происходит крайне неравномерно, и мы сможем оценить лишь среднее повышение температуры. Вся начальная  

 

энергия метеорита Е в конечном счете переходит в тепловую энергию. Без учета частичного плавления и испарения горных пород, она равна Е=Ет = с r R ³ D T . Здесь с приблизительно равно 1000дж/кг/К . есть характерная величина теплоёмкости горных пород, а D T - среднее возрастание температуры горных пород. Для не слишком больших метеоритов средний нагрев по объему кратера, как можно отметить, не зависит от массы и энергии метеорита. Он равен всего D T =3К . Поскольку средний разогрев так мал, то ясно, что доля расплавленного и тем более испаренного вещества окажется ничтожной при образовании любых малых кратеров

При падении метеоритов с размерами, большими критического R 0, температура разогрева горных пород растет пропорционально радиусу кратера: D T = gR / c . Доля расплавленного материала растет с ростом R . Когда средний разогрев достигает характерной температуры размягчения горных пород Т=300К , это доля станет подавляющей. Явление массового проплавления происходит при образовании кратеров с размерами, превышающими 30 км на земной поверхности

Соответственно, масса метеорита для образования кратера с массовым выплавлением пород по порядку величины должна превышать 30000 кг . Такие кратеры- следы редчайших событий. Их размытые следы сохраняются в течение почти всей геологической истории Земли, однако на всей планете пока обнаружено только несколько кратеров с радиусом, большим 30 км

Начиная примерно с этого размера, формула R ~ E ¼ становится неприменимой, поскольку учёт теплоты плавления делает более сложным баланс энергий метеорита. Кратеры с массовым размягчением пород и внешне выглядит иначе. С ростом размера становится всё более заметной новая особенность- застывшие концентрические волны. Уже у кратеров с радиусом более 1 км есть отчётливое поднятие, а отпечатки катастрофических столкновений с радиусами большими 30 км , имеют 3-4 гребня и впадины. Отчётливо видны не размытые эрозией и не скрытые осадочными породами многокольцевые структуры гигантских кратеров на Луне

На нашей планете кратеров намного меньше, чем на Луне. При дрейфе континентальных плит поверхность Земли довольно быстро обновляется, а подвижные атмосфера и океан размывают очертания кратеров. Лишь с помощью контрастных фотографий из космоса удалось обнаружить около сотни сильно искаженных временем кольцевых структур диаметром до сотни километров. Оказалось, например, что г. Калуга расположена в древнем кратере диаметром 15 км . Несколько менее уверенно можно утверждать космическое происхождение формации диаметром   440 км на восточном берегу Гудзонова залива (её половина видна на географической карте в очертаниях побережья)

Наибольший отчётливый кратер находится в Аризоне, США. Он имеет диаметр 1265 м и глубину 175 м ., а образовался всего 25-30 тысяч лет назад при падении тела массой около 10 млн. тонн

Даже при образовании малых кратеров часть горной породы и самого метеорита разлетаются в виде расплавленной массы веществ. Такие застывшие в полёте каменные капли называются тектитами . О величине максимальных скоростей выброса вещества при образовании кратеров можно судить по неожиданным находкам на земле нескольких метеоритов, уверенно отождествлённым с лунными породами. Их лунное происхождение означает, что они были выброшены с Луны при образовании кратера со скоростью, большей второй космической скорости Луны 2,4 км/с, а затем, может быть, через большое время упали на Землю