Výzkumy v ASU AV ČR (170): Určení pevnosti obyčejných chondritů z pozorování bolidové sítě

Poznatky o materiálových vlastnostech těles meziplanetární hmoty jsou důležité hned ze dvou důvodů. Jednak v sobě uchovávají informaci o historii vývoje planetek a vnitřní oblasti Sluneční soustavy obecně, a jednak jsou takové znalosti klíčové pro realistické odhady možných následků dopadů velkých těles, které by pro naši civilizaci mohly být katastrofické. V principu jsou dnes k dispozici dva diametrálně odlišné postupy, jak se o vlastnostech meziplanetárních těles dozvědět více. Jednak přímé studium vzorků, získaných buď kosmickými automaty, nebo z meteoritů dopadlých na zem. Druhou možností je pak analýza záznamů průletu meteoroidu zemskou atmosférou, při němž se těleso rozpadá.

Asi není překvapením, že představovaná práce trojice odborníků Jiří Borovička, Pavel Spurný a Lukáš Shrbený z Oddělení meziplanetární hmoty ASU vychází z druhého v pořadí uvedeného přístupu. A to proto, že v oboru výzkumu meteorů patří tento tým mezi světovou špičku. To vše jednak díky tradici založené před mnoha lety Zdeňkem Ceplechou, ale také rozvoji sítě vyspělých automatických bolidových stanic, která nemá ve světě obdoby. Opomenout nelze ani velmi úspěšný rozvoj moderních vyhodnocovacích a analytických metod včetně vývoje semi-empirických modelů napodobujících procesy, k nimž při průletu tělesa atmosférou dochází. 

Více než osmdesát procent nalezených meteoritů lze zařadit do kategorie obyčejných chondritů, tedy primitivního kamenného materiálu pocházejícího z počátků Sluneční soustavy. Individuální nálezy mají poměrně velkou pevnost, pevnost v tlaku kolem 100 až 200 MPa, pevnost v tahu kolem 20 až 40 MPa, což je porovnatelné s těmi nejpevnějšími pozemskými horninami. Atmosférické namáhání dynamickým tlakem při průletu meteoru ovšem takových hodnot ani zdaleka nedosahuje a meteoroidy se přesto zjevně rozpadají. Tento nesoulad je zjevně důsledkem složitější vnitřní struktury přilétajících těles. 

Autoři článku detailně studovali pády sedmi obyčejných chondritů, jejichž průlety atmosférou byly zaznamenány sítí Autonomních bolidových observatoří. K tomu přidali čtrnáct průletů dalších bolidů, z nichž podle všeho měly též vypadávat meteority, ale žádné se přes značné úsilí nepodařilo na zemi (většinou ve složitém terénu) najít. Ke všem průletům jsou k dispozici záznamy z celooblohových kamer, na nichž je patrný průlet bolidu, světelné křivky z celooblohového radiometru s velmi vysokým časovým rozlišením (až 5000 měření za sekundu) a často i doplňkový materiál z jiných kamer. 

Průletové světelné křivky byly modelovány semi-empirickým fragmentačním modelem vyvinutým v ASU. Tento model popisuje světelnou křivku jako součet příspěvků od jednotlivých fragmentů, které se mohou při průletu atmosférou vypařovat, uvolňovat prachové částice a dále fragmentovat. Empiričnost modelu spočívá v tom, že počátky jednotlivých fragmentů je třeba ve světelné křivce manuálně identifikovat, neboť rozpadové události jsou typicky doprovázeny skokovým zvýšením jasnosti, náhlou změnou strmosti křivky, změnou ve zpomalování tělesa a nebo změnou ve směru letu. Identifikace rozpadových událostí bohužel nemůže probíhat zcela automaticky. 

Úspěšný model světelné křivky tak umožňuje mapovat rozpadovou historii původního tělesa na časové ose. Vzhledem ke znalosti vypočtené trajektorie lze časové značky převést na aktuální výšku meteoroidu nad zemským povrchem a rychlost letu. Z toho lze již vypočítat dynamický atmosférický tlak, který na těleso působí. 

Výsledky ukazují, že k rozpadům významně dochází ve dvou etapách. Nejprve při dynamických tlacích kolem 0,10 MPa. Pro více než polovinu studovaných případů byly rozpady v této první fázi tzv. katastrofické, což znamená, že při nich hlavní těleso ztratilo více než polovinu hmotnosti. Druhá fragmentační fáze nastává při hodnotách dynamického tlaku 1 až 5 MPa (pro původně menší meteoroidy zřejmě i o něco dříve). Je zajímavé, že pro každé těleso jsou tyto dvě významné fragmentační epizody časově odděleny a zjevně tedy souvisejí se soudržností materiálu. 

Ze zjevné dichotomie autoři usuzují, že první rozpadová epizoda nejspíše souvisí s velkorozměrovou stavbou meteoroidů, které jsou tvořeny fragmenty „slepenými“ dohromady nějakým pojivem. Druhá fragmentační epizoda pak nejspíše souvisí s výskytem zlomů uvnitř jednotlivých fragmentů. 

Je třeba poznamenat, že to, že meteoroidy jsou nejspíše tvořeny slabě slepenými shluky popraskaných fragmentů je výrazně ve prospěch přežití pozemského života. Jen díky tomu nás naše atmosféra velmi účinně brání před dopady kosmických těles. Kdyby tomu tak nebylo, tak například tunový kompaktní meteoroid s pevností odpovídající nalezeným meteoritům by při příletu rychlostí 15 km/s pod úhlem 45 stupňů vyústil v dopad jednoho 600kg meteoritu, což je srovnatelné s velikosti Čeljabinského meteoritu. Ve skutečnosti se ale díky nízké soudržnosti materiálu takové těleso rozpadne na stovky malinkatých meteoritů s celkovou hmotností nepřesahující 100 kg. 

REFERENCE

J. Borovička, P. Spurný, L. Shrbený, Two Strengths of Ordinary Chondritic Meteoroids as Derived from their Atmospheric Fragmentation Modeling, Astronomical Journal 620 (2020) art.id. 42, preprint arXiv:2006.07080.

KONTAKTY

RNDr. Jiří Borovička, CSc. 
jiri.borovicka@asu.cas.cz
Oddělení meziplanetární hmoty Astronomického ústavu AV ČR

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Oddělení meziplanetární hmoty ASU

Převzato: Astronomický ústav AV ČR, v. v. i.