Zinātnieki ir precizējuši, kas notiek ar akmeņiem no kosmosa, tiem lielā ātrumā ielidojot Zemes atmosfērā un dažkārt sasniedzot virsmu meteorītu veidā. Izpētot videoierakstus un fotogrāfijas no 75 dokumentētām meteorītu krišanām, pētnieki identificēja septiņas stadijas, kas raksturo šo objektu pārvēršanos par meteorītiem.

Analīze liecina, ka kušanai un sairšanai ir daudz nozīmīgāka loma, nekā iepriekš domāts: šie procesi nosaka, cik daudz materiāla kosmosa akmens zaudē, cik strauji tas palēninās un kur galu galā nokrīt tā atlūzas. Pētījuma rezultāti publicēti žurnālā Meteoritics & Planetary Science.

“Mēs agrāk uzskatījām, ka cietie ieži iztvaiko milzīgā karstuma un spožās gaismas dēļ, kas rodas sadursmē ar gaisu,” sacīja vadošais autors, meteoru astronoms Pīters Dženkinss no SETI institūta un NASA Eimsa pētniecības centra. “Taču mēs atklājām, ka akmens masas zudumu vispirms kontrolē kušana un pēc tam sairšana.”

Pētnieki secināja, ka kosmosa akmens, šķērsojot atmosfēru, iziet septiņas atšķirīgas stadijas. Katrā no tām dominē citi fizikālie procesi, kas ietekmē objekta izskatu, uzvedību un galīgo likteni.

Kā kosmosa akmeņi kļūst par spožām ugunsbumbām

Pirmajā stadijā, augstu virs Zemes, atmosfēra kļūst pietiekami blīva, lai lidojošais akmens tās priekšā radītu triecienvilni. Akmenim saduroties ar gaisa molekulām, sakarst gan tā virsma, gan apkārtējā gāze, un abi sāk spīdēt. Tā rodas gaismas josla, ko parasti sauc par meteoru jeb “krītošo zvaigzni”.

Otrajā stadijā meteors ielido arvien blīvākā gaisā, tāpēc tā spožums pieaug. Dažiem meteoriem novērojamas arī atkārtotas spožuma izmaiņas, kas var atklāt, cik ātri tie griežas. Starp pētītajiem objektiem visātrāk rotējošie vienu pilnu apgriezienu veica 0,5–5 sekundēs.

Viens no pētījumā dokumentētajiem gadījumiem bija asteroīda 2023 CX1 radītā ugunsbumba virs Normandijas Francijā 2023. gada 13. februārī. Meteorīti, kas pazīstami kā Senpjēras le Viges meteorīti, tajā dienā sasniedza Zemes virsmu un vēlāk tika atrasti.

Trešajā stadijā meteors kļūst daudz spožāks un pārvēršas par ugunsbumbu. Šajā brīdī galvenais process, kura dēļ akmens zaudē materiālu, ir kušana. Intensīvā gaisa plūsma noplēš izkusušo materiālu no tā virsmas, veidojot pilienus, kas turpina iztvaikot arī pēc atdalīšanās no galvenā ķermeņa.

“Laboratorijā mēs nevaram radīt tādu starojuma daudzumu, kāds rodas dabiskā atmosfēras ielidošanas procesā pie šādiem ātrumiem,” sacīja Ēriks Sterns, bijušais NASA Eimsa centra darbinieks un tagadējais uzņēmuma Hyperspace Technologies galvenais zinātnieks. “Akmens varētu agresīvi sairt un erodēt, taču tad mēs negaidītu novērotās likumsakarības ugunsbumbu spožuma izmaiņās.”

Ugunsbumba ceturtajā stadijā nonāk aptuveni 60 kilometru augstumā, kad kušana sasniedz samērā stabilu līdzsvaru. Šajā posmā ugunsbumbas spožums vai nu paliek gandrīz nemainīgs, vai arī palielinās vienmērīgā tempā. Pēc pētnieku aplēsēm, kušana vien galu galā var aiznest līdz pat 40% no sākotnējās akmens masas.

Ugunsbumbai nolaižoties blīvākos atmosfēras slāņos, pieaugošais gaisa spiediens sāk akmeni sašķelt. Tā sākas piektā stadija, kurā no galvenā ķermeņa atdalās gabali un var rasties atkārtoti gaismas uzliesmojumi.

Īpaši pārsteidzoši pētniekiem šķita tas, cik agri sākas šī sairšana. Akmeņi var sākt sadalīties brīdī, kad uz to priekšējām virsmām darbojas gaisa spiediens, kas sasniedz tikai aptuveni piekto daļu no stiprības, kāda izmērīta uz Zemes atrastajiem meteorītiem. Zinātnieki pieļauj, ka atmosfēras ielidošanas laikā radītais karstums un plaisas, kas radušās iepriekšējās sadursmēs kosmosā, pietiekami novājina akmeņus, lai izskaidrotu šo negaidīto uzvedību.

Tieši šajā stadijā atlikušais akmens sāk strauji sarukt un būtiski palēnināties. Jo intensīvāk tas sadalās, jo ātrāk tas zaudē ātrumu.

“Mums izdevās sasaistīt šo fragmentācijas izraisīto palēnināšanos ar iepriekšējiem matemātiskajiem aprakstiem, kas balstīti uz ablācijas procesu,” sacīja pētījuma līdzautors Stū Pilorcs no SETI institūta.

Pētnieki atklāja arī to, ka izdzīvojušā akmens forma var ietekmēt vietu, kur galu galā nokrīt mazākie fragmenti. Ja tā aizmugurējā daļa paliek neskarta, galvenais ķermenis aiz sevis rada pazemināta spiediena zonu, kas pievelk mazākos gabalus.

“Mūsu modelēšana rāda: kamēr kosmosa akmens aizmugure paliek neskarta, akmens savā pēdā rada vakuumu, kurā fragmenti mēdz ieplūst,” sacīja NASA Eimsa pētniecības centra līdzautors Darels Robertsons. “Šie mazie meteorīti nokrīt uz zemes šaurā joslā.”

Pēdējais sprādziens un ceļš līdz Zemes virsmai

Sestā stadija sākas, kad beidzot sadalās galvenā akmens aizmugurējā daļa. Šī pēdējā lielā sairšana rada spožu uzliesmojumu un izkaisa fragmentus ar lielākiem savstarpējiem ātrumiem. Tā kā meteors līdz tam jau ir ievērojami palēninājies, šie beigu uzliesmojumi parasti izskatās sarkani, pretstatā spilgti zaļajiem toņiem, kas bieži redzami agrāk lidojuma laikā.

“Šī pēdējā sairšana aizsūta fragmentus prom ar lielākiem relatīvajiem ātrumiem,” sacīja Dženkinss. “Iepriekšējās krišanās reizēs mēs pamanījām, ka meteorīti, kas smagāki par aptuveni 20 g, mēdza izkliedēties plašāk, un daudzi no tiem nāca no kosmosa akmens virsmas daļas, kas atradās tuvu oriģinālā ķermeņa aizmugurei.”

Fragmenti, kas galu galā sasniedz Zemes virsmu, sākotnēji ir samērā lieli. Tomēr pirms nosēšanās tie turpina kust un sadalīties, vienlaikus zaudējot ātrumu.

Septītajā stadijā šie procesi turpinās, līdz atlikušie gabali palēninās tik ļoti, ka vairs nerada redzamu gaismu. Kad kušana apstājas, uz to virsmas paliek plāns ārējais slānis, ko sauc par kušanas garozu. Aptumšotie fragmenti turpina krist, un atmosfēras vēji var tos novirzīt no sākotnējās trajektorijas, pirms tie nokrīt kā meteorīti.

Ko meteorītu krišanas atklāj par bīstamiem asteroīdiem

Pētnieki izpētīja 75 dokumentētas meteorītu krišanas, kurās bija iesaistīti vairāki kosmosa akmeņu veidi. Salīdzinot to uzvedību, viņi varēja noteikt augstumu, kurā dažādi materiāli nonāk katrā no septiņām stadijām.

Šie novērojumi palīdz ne tikai izskaidrot, kā mazi meteorīti sasniedz Zemes virsmu. Tie sniedz arī vērtīgas norādes par daudz lielāku asteroīdu uzvedību — no automašīnas izmēra objektiem līdz tādiem, kas līdzinās veseliem pilsētas kvartāliem un atmosfērā var izraisīt spēcīgus sprādzienus.

Izmērot, kā dažādi cietie akmeņi atmosfēras ielidošanas laikā palēninās un sadalās, zinātnieki var labāk izprast procesus, kas nosaka potenciāli bīstamu asteroīdu eksplozijas atmosfērā.

“Asteroīdi, kuru izmērs sasniedz vairākus desmitus metru, arī ir cieti ieži, jo tie parasti griežas ātrāk nekā lielākie, no atlūzām sastāvošie asteroīdi,” sacīja Dženkinss. “20 metru diametra asteroīds, kas 2013. gadā izraisīja sprādzienu virs Čeļabinskas Krievijā, izgāja cauri tām pašām stadijām.”