Warum explodieren Meteore?

Meteoroiden gibt es in sehr vielen Größen, von Staubkörnern bis zu vielen Kilometer breiten Felsbrocken. Explosionen wie die des Chelyabinsk-Meteors sind nur gefundene Meteore, die größer als einige Meter, aber kleiner als ein Kilometer sind.

Obwohl die Details von denen, die solche Phänomene untersuchen, endlos diskutiert werden (es ist sehr schwierig, gute Daten zu bekommen, wenn man nicht weiß, wann/wo der nächste Meteor auftreten wird), vermittelt die folgende qualitative Beschreibung viele der wichtigen Ideen.

Die Grundidee ist, dass die enorme Eintrittsgeschwindigkeit in die Atmosphäre (in der Größenordnung von$15\ \mathrm{km/s}$) setzt das Objekt unter ziemlich viel Stress. Der Gegenwind übt einen sehr großen Druck davor aus, mit vergleichsweise wenig Druck nach hinten oder zu den Seiten. Baut sich der Druck zu stark auf, zersplittert der Meteor, wobei sich Stücke seitlich verteilen. Dies ist als „Pfannkucheneffekt“ bekannt.

Infolgedessen hat die Ansammlung kleinerer Teile eine größere nach vorne gerichtete Oberfläche, wodurch noch mehr Spannungen aufgebaut werden. In sehr kurzer Zeit löst eine außer Kontrolle geratene Fragmentierungskaskade den Meteor auf und gibt einen Großteil seiner kinetischen Energie auf einmal in die Luft ab.

Dies wird in [1] in Bezug auf das Tunguska-Ereignis diskutiert. Dieses Papier enthält auch einige wichtige Gleichungen, die diesen Prozess regeln. Insbesondere hat die Widerstandskraft eine Größe

$$F_\mathrm{drag} = \frac{1}{2} C_\mathrm{D} \rho_\mathrm{air} A v^2,$$ wo $C_\mathrm{D} \sim 1$ist der geometrische Luftwiderstandsbeiwert, $\rho_\mathrm{air}$ist die Luftdichte, $A$ist die Querschnittsfläche des Meteors, und $v$ist seine Geschwindigkeit. Auch die Massenänderung aufgrund von Ablation ist $$\dot{m}_\text{ablation} = -\frac{1}{2Q} C_\mathrm{H} \rho_\mathrm{air} A v^3,$$ wo $Q$ist die Ablationswärme (ähnlich der Verdampfungswärme) des Materials und $C_\mathrm{H}$ist der Wärmeübergangskoeffizient. Da die Masse-Verlust-Rate wie skaliert $A \sim m^{2/3}$, sublinear mit der Masse, werden kleinere Objekte vollständig schneller abgetragen, wodurch eine Untergrenze für die Größe eines Meteors festgelegt wird, der einer katastrophalen Fragmentierung unterzogen werden kann, bevor er ruhig abgetragen wird.

Zu große Meteore hingegen durchqueren die Tiefe der Atmosphäre und stürzen in den Boden, bevor eine Druckwelle (die sich im Festkörper mit Schallgeschwindigkeit ausbreitet) überhaupt von der Vorderseite bis zur Rückseite des Objekts gelangen kann . Es ist einfach keine Zeit für eine druckinduzierte Fragmentierung des gesamten Objekts, was bedeutet, dass die kinetische Energie nicht dissipiert wird, bis der gesamte Körper auf die Erde prallt.

[1] Chybaet al. 1993. "Die Tunguska-Explosion von 1908: atmosphärische Störung eines steinernen Asteroiden." ( Link , PDF )

Denken Sie daran, dass Meteoroiden Himmelskörper sind. Bei diesen Skalen ist es durchaus üblich, dass die Relativgeschwindigkeiten extrem groß sind.

Wenn ein solches sich schnell bewegendes Objekt in die Erdatmosphäre eintritt, wird es von der Luft aufgrund ihrer Viskosität abgebremst. Der Meteor bewegt sich jedoch sehr, sehr schnell. Im Gegensatz zu den meisten fallenden Objekten hat es nicht einmal die Möglichkeit, die Endgeschwindigkeit zu erreichen.

Wenn sich der Meteor mit dieser Geschwindigkeit bewegt, wird viel Wärme erzeugt (Kompression sowie Reibung/Viskosität). Dadurch kocht der Meteor (viele Meteore enthalten Eis oder Trockeneis), was zu einem Druckaufbau führt. Wenn das Sieden zu schnell erfolgt, explodiert der Meteor.

Airburst, glaube ich, heißt es.

Ein Artikel auf wired.com behandelt genau diese Frage

Das Gestein bewegte sich bereits sehr schnell, als es in die Erdatmosphäre eintrat. Die Luft könnte es auf keinen Fall auf die Endgeschwindigkeit bringen – es war einfach nicht genug Abstand für einen so großen Stein. Aber dieser Luftwiderstand ist im Wesentlichen der Grund dafür, dass es explodiert

Einige dieser Ruskeor-Stücke sind blau gefärbt. Dies sind die Teile, die mit der Luft interagieren. Die Luft drückt also auf diese vorderen Teile, um sie zu verlangsamen, aber wie verlangsamt sich der Rest des Felsens? Einfach, die blauen Steine ​​schieben auf die anderen Steine. Dieser Stein wird also gewissermaßen zertrümmert. Zerdrückt, weil die Luftwiderstandskraft auf die Vorderseite drückt, aber nicht auf den Rest des Felsens.

Der Autor entschied sich, den Meteor „Ruskeor“ zu nennen, da es sich um einen Meteor über Russland handelte.

Der Artikel, auf den verwiesen wird, enthält die Berechnungen, wenn Sie interessiert sind

Ich vermute, dass mehrere Phänomenologien beteiligt sind, aber für einen gravitativ gebundenen Aggregathaufen gibt es nicht viel Zusammenhalt. Somit ist es möglich, dass der dynamische Eintrittsdruck hoch genug ist, um das oben beschriebene "Pfannkuchen"-Verhalten zu verursachen.

Aber ich vermute, dass es einen anderen Weg gibt, damit zusammenhängendere Objekte "explodieren". Es ist fast sicher, dass der Druckmittelpunkt eines zufälligen Felsens nicht mit dem Massenmittelpunkt in Flugrichtung ausgerichtet und "vor" ihm ist, so dass Drehmomente entstehen, die (selbst über kurze Zeiträume) dazu neigen, das Objekt zu drehen. Wenn die Drehmomente hoch genug und die Trägheit klein genug sind, wird die akkumulierende Rotationsgeschwindigkeit die Festigkeit des Materials überwinden und das Objekt wird auseinanderfallen. Dies erscheint unwahrscheinlich für sehr große Objekte, die sich nicht schnell genug drehen, und für sehr kleine Objekte, die relativ stark sind. Aber in der Mitte gibt es eine Klasse schwacher Objekte angemessener Größe, bei denen das Aufbrechen wahrscheinlich der Rotationsgeschwindigkeit und der Zentrifugalkraft zugeschrieben werden kann.