Метеориты и их происхождение

Министерство  высшего образования

Южно-Уральский  Государственный Университет

Кафедра «Физическая химия» 
 
 
 
 
 

Метеориты и их происхождение 
 
 
 
 
 
 

Выполнил  студент гр. ЭиУ-265 

Кучкин  М.Ю.

Проверил  доцент каф «ФизХим»

Тепляков  Ю.Н. 
 
 
 
 
 

Челябинск, 2009

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 

     Наша  планета с момента своего образования  и до наших дней, в течение уже  около 5 млрд. лет, при движении вокруг Солнца испытывает столкновения с разными  космическими телами. Тела, размеры  которых заключены в пределах от 10-8 см (атом или молекула) и примерно до нескольких сотен метров, принято  называть метеороидами. Когда они  влетают в земную атмосферу, то из-за трения нагреваются до белого каления  и плавления, оставляя за собой светящиеся следы. Согласно научной терминологии эти явления называют метеорами  или болидами (в зависимости от масштаба явления), а в народе их часто называют "падающими звездами". Иногда можно наблюдать метеорный  дождь - захватывающее зрелище массового  или даже одновременного входа в  атмосферу метеороидов, движущихся по параллельным траекториям. Если видимые  пути метеоров метеорного дождя продолжить назад, то они пересекутся вблизи одной точки неба, называемой радиантом  метеорного потока. В отличие от метеорного дождя, метеорным потоком  называют массовое появление метеоров примерно в одной и той же области  неба в течение некоторого промежутка времени (например, в течение нескольких ночей). Многие метеорные потоки можно  наблюдать периодически, в одни и  те же месяцы в течение года, на фоне одного и того же созвездия. На этом основании метеорным потокам  присваивают названия, образованные от латинских имен тех созвездий, в которых лежат их радианты. Весьма известны такие "звездопады", как  Персеиды (в августе), Леониды (в ноябре) и некоторые другие. Например, поток  Леонид, наблюдающийся в районе созвездия  Льва, известен с 902 г. В разделе "Кометы" говорилось о том, что абсолютное большинство метеорных потоков  образовалось в результате распада  ядер комет, растерявших самые летучие  соединения при неоднократных сближениях с Солнцем. Поэтому в названиях  некоторых метеорных потоков  используют имена тех комет, с  которыми, как было установлено, они  связаны (Биэлиды, Джакобиниды и  т. п.).

     Как справедливо писал в 1819 г. известный  химик Петербургской Академии Иван Мухин, "начало преданий о низпадающих  из воздуха камнях и железных глыбах теряется в глубочайшем мраке  веков протекших". Например, до наших  дней сохранились сведения, что Анаксагор  и другие древнегреческие мыслители  считали метеориты обломками  небесной тверди. Это в принципе правильное представление продержалось только до тех пор, пока люди еще верили в существование небесной тверди. В дальнейшем на достаточно длинное время его сменили совершенно другие идеи, которые объясняли происхождение метеоритов любыми причинами, но только не небесными. Но метеориты были известны и за многие сотни и тысячи лет до этого. Известен целый ряд находок орудий первобытных людей, сделанных из метеоритного железа. При случайных находках метеоритного вещества люди едва ли догадывались о его особом происхождении. Исключение лишь составляли находки "небесных камней" сразу после неожиданных и грандиозных зрелищ их падения. Тогда метеориты становились предметами культового или религиозного поклонения. О них слагали легенды, их описывали в летописях, боялись и даже приковывали цепями, чтобы они снова не улетели на небо. проникают в земную атмосферу.

     Основы  научной меоритики были заложены Эрнстом Хладни, уже достаточно известным  к тому времени немецким физиком-акустиком. По совету своего друга, тоже физика Г.Х. Лихтенберга, он занялся сбором и  изучением подробных описаний болидов  и сравнением этой информации с той, что была известна о найденных  камнях. На основе этого исследования Хладни в 1794 г. издал книгу под  названием "О происхождении найденной  Палласом и других подобных ей железных масс и о некоторых связанных  с этим явлениях природы". В этой книге, в частности, обсуждался факт находки в 1772 г. академиком Петербургской  академии наук Петром Палласом во время  его экспедиции в Сибирь загадочной массы "самородного железа". Масса  была обнаружена еще в 1749 г. местным  кузнецом Яковом Медведевым и весила более 600 кг. Ее анализ показал, что она  состоит из смеси железа с каменистыми  включениями и представляет собой  редкий тип метеоритов. По имени  Палласа метеориты этого типа были названы палласитами. В этой книге и других публикациях Хладни убедительно показал, что Палласово  железо и многие другие камни, "упавшие  с неба", имеют космическое  происхождение.  
 
 
 
 

§1. Физические явления, вызываемые метеороидными телами в земной атмосфере 

     При входе метеороидного тела в земную атмосферу происходит много интересных явлений, о которых мы только упомянем. Скорость любого космического тела всегда превышает 11,2 км/с и может достигать  в земных окрестностях 40 км/с при  ее произвольном направлении. Линейная скорость движения Земли при движении вокруг Солнца в среднем составляет 30 км/с, поэтому максимальная скорость столкновения метеороида с земной атмосферой может достигать примерно 70 км/с (на встречных траекториях). Вначале  тело вступает во взаимодействие с  очень разреженной верхней атмосферой, где расстояния между молекулами газа больше его диаметра. Очевидно, взаимодействия с молекулами верхней  атмосферы практически не влияют на скорость и состояние достаточно массивного тела. Но если масса тела мала (сравнима с массой молекулы или  на 2-3 порядка ее превышает), то оно  может полностью затормозиться  уже в верхних слоях атмосферы  и будет медленно оседать к  земной поверхности под действием  силы тяжести. Оказывается, что таким  путем, то есть в виде пыли, на Землю  выпадает львиная часть твердого космического вещества. Уже подсчитано, что ежедневно на Землю поступает  от 100 до 1000 т внеземного вещества, но только 1% от этого количества представлено большими обломками, имеющими возможность  долететь до ее поверхности. На движущееся достаточно большое тело действуют  три основные силы: торможения, гравитации и выталкивания (Архимедова сила), которые  и определяют его траекторию движения. Эффективное торможение наиболее крупных  объектов начинается только в плотных  слоях атмосферы, на высотах менее 100 км. Движение метеороида, как и  любого твердого тела в газовой среде  с высокой скоростью, характеризуется  числом Маха - отношением скорости тела к скорости звука. Это число на разных высотах полета метеороида бывает разным, но часто превышающим 50. Перед  метеороидом образуется ударная  волна в виде сильно сжатых и разогретых атмосферных газов. Поверхность  самого тела в результате взаимодействия с ними нагревается до плавления  и испарения. Набегающие газовые  струи разбрызгивают и уносят расплавленный (а иногда и твердый  раздробленный) материал с его поверхности. Этот процесс называется абляцией. Раскаленные газы за фронтом ударной  волны, а также капельки и частички вещества, уносимые с поверхности  тела, светятся и создают явление  метеора или болида. При достаточно большой массе тела возникновение  болида сопровождается иногда не только ярким свечением, но и разными звуковыми эффектами (громкий хлопок, как при переходе самолетом сверхзвукового барьера, раскаты грома, шипение и т. п.). Если масса тела не слишком мала и не очень велика, а его скорость находится в диапазоне от 11 км/с до 22 км/с (это возможно на "догоняющих" Землю траекториях), то оно успевает затормозиться в атмосфере еще не сгорев. После чего метеороид движется с такой скоростью, при которой абляция уже не эффективна, и может в неизменном виде долететь до земной поверхности. Если масса тела не очень велика, то продолжается дальнейшее уменьшение его скорости до тех пор, пока сила сопротивления воздуха не сравняется с силой тяжести, и начинается его почти вертикальное падение со скоростью 50-150 м/с. С такими скоростями на Землю упало большинство метеоритов. При большой массе метеороид не успевает ни сгореть, ни сильно затормозиться и сталкивается с поверхностью с космической скоростью. В этом случае происходит взрыв, вызванный переходом большой кинетической энергии тела в тепловую, механическую и другие виды энергии, а на земной поверхности образуется взрывной кратер. В результате значительная часть метеорита и подверженной удару земной поверхности плавится и испаряется.

     Достаточно  часто наблюдается выпадение  метеоритных дождей. Они образуются из фрагментов, разрушающихся при  падении метеороидов. Наиболее наглядным  примером является Сихоте-Алиньский  метеоритный дождь. Как показывают расчеты, при снижении твердого тела в плотных слоях земной атмосферы  на него действуют огромные аэродинамические нагрузки. Например, для тела, движущегося  со скоростью 20 км/с разность давлений на его фронтальную и тыльную  поверхности меняется от 100 атм. на высоте 30 км до 1000 атм. на высоте 15 км. Такие  нагрузки способны разрушить абсолютное большинство падающих тел. Только наиболее прочные монолитные металлические  или каменные метеориты способны их выдержать и долететь до земной поверхности. Сейчас созданы так  называемые болидные сети - множество  наблюдательных пунктов или обсерваторий, оборудованных специальной техникой, позволяющей осуществлять регистрацию  падающих метеороидов и слежение за ними, изучать возникающие при  этом явления и оперативно определять координаты возможных падений метеоритов. Они созданы в США, Канаде, Англии, Западной Европе и России и охватывают территории примерно по 106 кв. км. 

§2. О метеоритных кратерах и о других последствиях падений метеоритов 

     Из  приведенных описаний метеоритных  событий видно, что падения на Землю наиболее крупных метеороидных тел создают опасность для  людей и всего, что ими создано, а также земной флоры и фауны. Более того, катастрофические явления, подобные тем, что наблюдались при  падении Тунгусского тела, могут  создать угрозу всей человеческой цивилизации. Конечно, это может произойти  при столкновении с достаточно большим  телом, типа астероида или ядра кометы. Земная поверхность хранит многие следы  столкновений с крупными космическими телами в виде кратеров больших размеров - так называемых "астроблем" (или "звездных ран"). На сегодняшний  день их обнаружено более 230. Размеры  самых крупных из них превышают 200 км . Один из наиболее хорошо сохранившихся  кратеров (по причине его относительно "молодого" возраста) - это "Каньон дьявола", находящийся в штате  Аризона в США. Его диаметр 1240 м, а глубина - 170 м. В 1906 г. геолог Д. Барринджер доказал, что этот кратер имеет ударное  происхождение, а не какое-либо еще. При исследованиях кратера было обнаружено около 12 т метеоритного вещества и было установлено, что  он возник при падении на Землю  примерно 50 тыс. лет назад железо-никелевого метеорита с размером около 60 м, двигавшегося со скоростью 20 км/с.

     На  земной поверхности практически  не осталось древних кратеров с размером менее 1 км по причине постоянной атмосферной  и водной эрозии. Значительно больше кратеров по сравнению с земной поверхностью, мы можем наблюдать на Луне и других планетах и их спутниках с более  разреженной атмосферой или лишенных ее вообще (Луне, Меркурии, Марсе и  др.). Как показывают расчеты, в течение  первых 100 млн. лет после своего образования  Земля должна была "вычерпать" практически все твердое вещество, двигавшееся в ближайших окрестностях ее орбиты. Однако Земля и сейчас продолжает встречать на своем пути пыль, камни и даже глыбы километровых размеров. Откуда же они берутся? Ответим  на этот вопрос чуть ниже, после изложения  сведений о составе и структуре  метеоритного вещества. 
 

§3. О составе метеоритного вещества, падающего на земную поверхность 

     Во  всем упавшем на землю метеоритном  веществе примерно 92% составляют каменные метеориты, 6% - железные и 2% - железо-каменные. Атмосфера является первым "фильтром", через который проходит все падающее на Землю метеоритное вещество. Чем  более оно тугоплавкое и прочное, тем больше у него "шансов" попасть  на земную поверхность. Еще одним "фильтром" можно назвать селекцию метеоритов при их находках. Очевидно, что любой  метеорит тем легче найти на земной поверхности, чем более необычен его внешний вид на фоне земной поверхности. Тридцать лет назад  японские ученые неожиданно обнаружили, что наилучшим местом для поиска метеоритов является Антарктида, покрытая большой толщей полярных льдов. Прежде всего, метеориты легко обнаружить на фоне белого льда. И кроме того, метеориты, упавшие на этот континент  многие сотни и даже тысячи лет  назад, лучше сохраняются в антарктических льдах. В то же время метеориты, оказавшиеся  в других местах земной поверхности, подвергаются действию атмосферного выветривания, водной эрозии и других разрушающих  факторов и либо разлагаются, либо оказываются  погребенными.

     Основными компонентами метеоритного вещества являются железо-магнезиальные силикаты и  никелистое железо. Иногда бывают обильны  и сульфиды железа (троилит и др.). Распространенные минералы, входящие в силикаты метеоритного вещества, - это оливины (Fe, Mg)2SiO4 (от фаялита Fe2SiO4 до форстерита Mg2SiO4) и пироксены (Fe, Mg)SiO3 (от ферросилита FeSiO3 до энстатита MgSiO3) разного состава. Они присутствуют в силикатах либо в виде мелких кристаллов или в виде стекла, либо как смесь с разными пропорциями. На сегодняшний день в метеоритном  веществе обнаружено около 300 разных минералов. И хотя их количество в процессе исследований новых метеоритов постепенно увеличивается, но все равно более  чем на порядок уступает числу  известных земных минералов.