fyzika meteorů

Fyzika meteorů

1) Úvod a teorie (Lukáš Shrbený)2) Pozorování a statistika (Pavel Koten)3) Spektra (Jiří Borovička)

Astronomický Ústav AV ČR, Ondřejov

Úvod a teorie

• základní terminologie (meteor, meteorit..)• geometrie střetu se Zemí (možné rychlosti, sklony k povrchu,

tvar trajektorie v Hillově sféře Země)• let atmosférou (sputtering, předehřátí, ablace, fragmentace..)• fyzikální teorie (základní rovnice brždění, ztráty hmoty a

záření)• parametry popisující průlet (ablační koeficient, světelná

účinnost, PE..)• klasifikace bolidu (typy I, II, ..)• temná dráha a pád meteoritu

Terminologie

meteoroid

vstup do atmosféry

ablace(ztráta hmoty)

meteor

bolid (-4m)

temná dráha

meteorit

Střet se Zemí• meteory jsou vyvolané tělísky většími než 0,01 mm (záleží na v)• 0m: 2 cm@15 km/s, 1 cm@30 km/s, 0,5 cm@60 km/s• meteoroidy pocházející ze sluneční soustavy mají omezené

rychlosti střetu: 11,2 km/s (jen zemská gravitace) – 72,8 km/s (42,5 parabolická rychl. v perihelu zemské dráhy a 30,3 oběžná). Směr/bod, ze kterého meteoroid přilétá je radiant

• meteoroid se v Hillově sféře Země pohybuje po hyperbolické dráze, část meteoru je aproximována přímkou

• úhly vstupu do atmosféry nejsou omezeny

1972, Grand Teton. USA-Kanada, více než 1500 km dráha

Tečný průlet (Earth grazing)

1992, Peekskill. USA, 700 km dráha, sklon 3,4°

Malý sklon

1991, Benešov. 83 km dráha (98-16 km), sklon 8° k vertikále

Velký sklon (strmý let)

Let atmosférou

• sputtering – rychlé meteory, srážky se vzduchem vyvolávají vyražení částic z povrchu meteoroidu, při termalizaci je emitováno záření. Ek vyvržených > 1000x vyšší než částice vzduchu, kaskáda kolizí vyvolá záření.

• předehřátí – srážkami s částicemi vzduchu se postupně meteoroid zahřívá (< 0,5 mm celé) na teplotu asi 2200 K.

• záření/ablace – zahřátý materiál začne sublimovat a zaplní okolí tělesa. Záření meteoru > 90% z emisních čar jednou excitovaných kovů a železa při teplotách 3-5 tis. K.

• fragmentace – makroskopická forma ablace. Odlamování kusů, drolení na zrna, rozpad celého tělesa.

Let atmosférou• zjasnění - uvolnění hmoty nebo změna fyzikálních vlastností• wake - záření emitované těsně za meteoroidem, až několik km dlouhé s

trváním ̴0,1s. Plynný (v horní části letu) nebo částicový (úlomky, kapky)• stopy: krátko-trvající (zelená čára O 557,7nm): < 3s, 105 km; ̴̴ dlouho-trvající: minuty

až hodiny, v max. jasnosti meteoru, Mg I 517 nm a Na I 589 nm během prvních sekund, pak chemiluminescence FeO a Na, které jsou katalyzátory reakcí O a O3; prachové: odraz a rozptyl slunečního světla

• zvuky: elektrofonické (slyšitelné hned, relaxací geomagnetického pole zpět do rovnováhy jsou emitovány radiové vlny ELF/VLF o frekvenci 1-10kHz, které reagují s předměty na zemi) akustické (po několika minutách, rázová vlna nebo exploze)

Let atmosférou

2013, Čeljabinsk – vývoj prachové stopy

2013, Čeljabinsk – prachová stopa ze spoda a z boku

Let atmosférou

2013, Čeljabinsk – vývoj prachové stopy

Fyzikální teorie• pohyb, ablace a svícení nefragmentujícího tělesa v

atmosféře (pohyb po přímce, zanedbána gravitace) se dají popsat pomocí čtyř diferenciálních rovnic:

brždění

(zachování hybnosti)

ztráta hmoty

(zachování Ek)

svícení

(změna Ek)

výšky

(pro kulový povrch)

(Γ drag coef., Λ heat transfer c., A = Sm-⅔ρd

⅔ shape factor, S head cross section, ξ energy necessary for ablation of a unit mass, τ luminous efficiency, σ ablation c., K shape-density c.)

• počáteční rychlost v∞

– délka či výška jako fce času rychlost a brždění– empirické vztahy nebo numerické řešení diferenciálních rovnic– numerické modely (gross-fragmentation, FM, erosion…)

Koeficienty a veličiny


• počáteční hmota m∞

– fotometrická (integrál rce svícení) a dynamická– Závislost na světelné účinnosti (fce v, m, typu meteoru)

ReVelle a Ceplecha, 2001

- PN, EN, umělé met.

Ceplecha a ReVelle, 2005

- vnitřní hodnoty τ fitováním dat pádu meteoritů Lost City

- závislost na v, m, ρ/ρM

Pecina a Ceplecha, 1983

- Innisfree a umělé met.

- závislost na v




• PE koeficient– rozdělení bolidů do 4 skupin podle empirického koncového kritéria (různé

schopnosti ablovat)– založeno na 156 PN bolidech s velkou fotometrickou kvalitou a v∞ < 40 km/s


(Ceplecha a McCrosky, 1976)



• PE koeficient

• ablační koeficient σ– popisuje schopnost meteoroidu ztrácet hmotu(fragmenty, kapky, prach)– definován rovnicemi brzdění a ztrátou hmoty

– zdánlivé (bez započtení fragmentace) a vnitřní hodnoty (podobný pro všechny PE typy 0.006 s ̴̴ 2/km2)


(ReVelle a Ceplecha, 2001)

a K konstantní

(Ceplecha a ReVelle, 2005)



• PE koeficient• ablační koeficient σ

• dynamický tlak p– dává odhad mechanické pevnosti meteoroidu

– Typické hodnoty dyn. Tlaků v bodech první fragmentace kamenných meteoroidů jsou 0.4 – 4 MPa


(Borovička a Spurný, 2008)



• PE koeficient• ablační koeficient σ• dynamický tlak p

• objemová hustota ρd

– z gross-fragmentačního modelu: Km∞-⅓ = ΓAρd

-⅔m∞-⅓ (Ceplecha et al., 1993)

– ze světelné křivky (Babadzhanov, 2002)

– z erozního modelu (Borovička et al., 2007)• hustota zrn a porozita jsou parametry modelu


(ReVelle a Ceplecha, 2001)



• PE koeficient• ablační koeficient σ• dynamický tlak p• objemová hustota ρd

• počáteční a koncová výška hB, hE

– přímo z pozorování– Fujiwara et al. 1998 pro Leonidy naměřili výšky kolem 150 km – sputtering. Nejvyšší

změřená hodnota je 199 km pro Leonidu z roku 1998– záleží na použitém detektoru a objektivu– koncové výšky bez omezení, častěji nad 40 km




• PE koeficient• ablační koeficient σ• dynamický tlak p• objemová hustota ρd

• počáteční a koncová výška hB, hE

• jasnost– fotometrie šířková přímo z filmů nebo určením gradační křivky na

skenovaných kopiích (měření zčernání)– světelná křivka bolidu: jasnost/intenzita jako fce času

• náhlá zjasnění - spojitost s fragmentací• milisekundové změny (spikes) (Spurný a Ceplecha, 2008)

• cyklické změny (flickering)


• cyklické změny (flickering)– možná vysvětlení (Oleak, 1964): rotace nesférického meteoroidu; vibrace

meteoroidu; oddělování fragmentů; autofluktuační charakter evaporačních procesů

– často pozorované u Geminid (Beech a Brown, 2000; Beech et al, 2003)

– z počátečních frekvencí určeno stáří meteoroidů Geminid (Beech, 2002) na základě windmill efektu (Paddack, 1969)


• flickering na světelných křivkách s velkým časovým rozlišením– Poprvé publikovali Spurný a Borovička (2001) pro bolid Vimperk


• flickering na světelných křivkách s velkým časovým rozlišením– první pád meteoritu s flickeringem - Bunburra Rockhole (Spurný et al., 2012)


fragmentace meteoroidu už při dosažení dynamického tlaku 0.1 MPa, to odpovídá maximální možné rotaci dosažené těsně před rozpadem tělesa 4.7 Hz, ale pozorovaná frekvence je asi 8 Hz v tomto případě nejde o rotaci

Temná dráha a pád meteoritu• pokud se těleso zabrzdí natolik ( 3 km/s), že již nedochází ̴̴

třením k jeho odpařování, pak přestane svítit a dále není pozorované – temná dráha – je popsána pohybovými rovnicemi pro neablující těleso

• špatná znalost větru a tvaru a hmotnosti tělesa• poč. podmínky z koncového bodu – směr, rychlost, zrychlení• rychle přechází do volného pádu, dopad 10-100 m/s ̴̴

Temná dráha a pád meteoritu

Temná dráha určená pro meteority Bunburra Rockhole

Temná dráha a pád meteoritu

• místo dopadu – důlek, prohlubenina, impaktní kráter• záleží na hmotnosti

Fyzika meteorů

1) Úvod a teorie (Lukáš Shrbený)2) Pozorování a statistika (Pavel Koten)3) Spektra (Jiří Borovička)

Astronomický Ústav AV ČR, Ondřejov

Literatura• Ceplecha a kol. (1998) Meteor Phenomena and Bodies. Space Science Reviews, v. 84, Issue 3/4, p. 327-471• Pecina a Ceplecha (1983) New aspects in single-body meteor physics. Astronomical Institutes of Czechoslovakia, Bulletin

(ISSN 0004-6248), vol. 34, p. 102-121.• ReVelle a Ceplecha (2001) Bolide physical theory with application to PN and EN fireballs. In: Proceedings of the

Meteoroids 2001 Conference, p. 507 - 512• Ceplecha a ReVelle (2005) Fragmentation model of meteoroid motion, mass loss, and radiation in the atmosphere.

Meteoritics & Planetary Science, Vol. 40, p.35• Ceplecha a McCrosky (1976) Fireball end heights - A diagnostic for the structure of meteoric material. Journal of

Geophysical Research, vol. 81, p. 6257-6275• Borovička a Spurný (2008) The Carancas meteorite impact - Encounter with a monolithic meteoroid. Astronomy and

Astrophysics, Volume 485, Issue 2, pp.L1-L4• Ceplecha a kol. (1993) Atmospheric fragmentation of meteoriods. Astronomy and Astrophysics, vol. 279, no. 2, p. 615-626• Babadzhanov (2002) Fragmentation and densities of meteoroids. Astronomy and Astrophysics, vol. 384, p.317-321• Borovička a kol. (2007) Atmospheric deceleration and light curves of Draconid meteors and implications for the structure of

cometary dust. Astronomy and Astrophysics, Volume 473, Issue 2, pp.661-672 • Spurný a Ceplecha (2008) Is electric charge separation the main process for kinetic energy transformation into the meteor

phenomenon? Astronomy and Astrophysics, Volume 489, Issue 1, pp.449-454 • Oleak (1964) Pulsationen in der Lichtkurve von Meteoren. Astronomische Nachrichten, volume 288, p.7• Beech a Brown (2000) Fireball flickering: the case for indirect measurement of meteoroid rotation rates. Planetary and

Space Science, Volume 48, Issue 10, p. 925-932• Beech a kol. (2003) Analysis of a "flickering" Geminid fireball. Meteoritics &Planetary Science, vol. 38, no. 7, p.1045-1051• Beech (2002) The age of the Geminids: a constraint from the spin-up time-scale. Monthly Notice of the Royal Astronomical

Society, Volume 336, Issue 2, pp. 559-563• Paddack (1969) Rotational burning of scmall celestial bodies: Effects of radiation pressure. Journal of Geophysical

Research, vol. 74, issue 17, pp. 4379-4381 • Spurný a Borovička (2001) EN310800 Vimperk fireball: probable mereorite fall of an Aten type meteoroid. In: Proceedings

of the Meteoroids 2001 Conference, p. 519 - 524• Spurný a kol. (2012) The Bunburra Rockhole meteorite fall in SW Australia: fireball trajectory, luminosity, dynamics, orbit,

and impact position from photographic and photoelectric records. Meteoritics & Planetary Science, Volume 47, Issue 2, pp. 163-185

fyzika meteorů

Documents