Post on 03-Jan-2016
description
transcript
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 rychlost v∞
• 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
Koeficienty a veličiny
• počáteční rychlost v∞
• počáteční hmota m∞
• 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
Koeficienty a veličiny
(Ceplecha a McCrosky, 1976)
• počáteční rychlost v∞
• počáteční hmota m∞
• 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)
Koeficienty a veličiny
(ReVelle a Ceplecha, 2001)
a K konstantní
(Ceplecha a ReVelle, 2005)
• počáteční rychlost v∞
• počáteční hmota m∞
• 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
Koeficienty a veličiny
(Borovička a Spurný, 2008)
• počáteční rychlost v∞
• počáteční hmota m∞
• 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
Koeficienty a veličiny
(ReVelle a Ceplecha, 2001)
• počáteční rychlost v∞
• počáteční hmota m∞
• 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
Koeficienty a veličiny
• počáteční rychlost v∞
• počáteční hmota m∞
• 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)
Koeficienty a veličiny
• 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)
Koeficienty a veličiny
• flickering na světelných křivkách s velkým časovým rozlišením– Poprvé publikovali Spurný a Borovička (2001) pro bolid Vimperk
Koeficienty a veličiny
• flickering na světelných křivkách s velkým časovým rozlišením– první pád meteoritu s flickeringem - Bunburra Rockhole (Spurný et al., 2012)
Koeficienty a veličiny
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