Tšeljabinskin asteroidi ei räjähtänyt

Tšeljabinskin kaupungin yläpuolella näkyy
tässä Eumetsat's Meteosat-10 sääsatelliitin
ottamassa kuvassa asteroidin jättävana ilmakehässä.
Kuva ESA. Klikkaa kuvaa! 

Nasa määrittelee asteroidiksi kaikki kappaleet, joiden koko ylittää 10 metriä. Määritelmä ei ole virallinen ja eikä perustu mihinkään tunnettuun fysiikkaan, tai sen paremmin kappaleen rakenteeseen tai ominaisuuksiin. Onpahan vain sopivan pyöreä luku.

Kansainvälinen tähtitieteilijöiden unioni (IAU) ei ole määritellyt missä raja kulkee, tai mikä on meteoroidi tai asteroidi. Ainoa määritelmä mikä IAU on tehnyt, on se, että molemmat kappaletyypit ovat aurinkokunnan pienkappaleita.

Kuten tämän blogikirjoituksen otsikko kertoo, Tšeljabinskin kaupungin yläpuolella ollut tapahtuma ei ollut räjähdys. Se oli yliäänennopeudella ilmakehässä liikkuneen kappaleen aiheuttama paineaalto, jota kansanomaisesti nimitetään ”yliäänipamaukseksi”. Nimitys tulee siitä, että tavallisimmin vastaavanlaisen ilmiön aiheuttama kompressiopaineaalto on kuultavissa sotilaallisten taistelukoneiden lentojen yhteydessä.  Jos salama iskee hyvin lähelle, kyseessä on myös vastaavanlainen kompression aiheuttama paineaalto, ja kuulemme sen kovana paukahduksena. Kauempana paineaallon huipun ja etureunan edessä olevan kaasun välinen paine-ero pienenee (molekyylinen välisen kitkan vaikutuksesta) ja kuulemme tavanomaisen jyrinän.

Nasa julkaisi tiedon, että maapallon ilmakehään tunkeutui noin 17 metriä halkaisijaltaan ollut kappale ja sen radan korkeus Tšeljabinskin kohdalla olisi ollut parisenkymmentä kilometriä.  Nasan arvion mukaan kappale tunkeutui ilmakehään 18 km/s suhteellisella nopeudella. Nopeus on yli 50× äänennopeus, joten kompressioaallon voimakkuus selittyy sillä. Onneksi kappaleen rata oli suhteellisen korkealla, sillä jos se olisi tullut suunnilleen samalle korkeudelle (alle 10 km) kuin Tunguskaan kesäkuun 30. päivänä vuonna 1908 tunkeutunut asteroidi, tuhotkin olisivat olleet samankaltaisia, vaikka hieman suppeammalla alueella.

Ilmakehään törmäävän kappaleen vauhti, koko ja rakenne määräävät mitä sille tapahtuu. Jos kappale on karkeasti ottaen alle 20 metrinen ja se on koostumukseltaan kiveä tai vielä hauraampaa ainetta, se pirstoutuu ilmakehässä ennen maanpinnan saavuttamista. Näin kävi mitä ilmeisimmin myös Tšeljabinskin asteroidille, sillä   pirstoutumista on nähtävissä tapahtumasta otetuista videoista.

Viron Saarenmaalla sijaitseva Kaalijärvi
on rautameteoroidin aiheuttma törmäyskraatteri.
Kuva © Kari A. Kuure.

Jos asteroidi tai meteoroidi on lujempaa ainetta, kuten rauta-nikkeliseosta, sen sisäinen lujuus estää ainakin osittain pirstoutumisen ja kappale päätyy maanpinnalle suunnilleen yhtenä kappaleena. Iso rautameteoroidi voi olla kylläkin jo valmiiksi pirstoutunut, mutta osat ovat edelleen löyhästi kiinni toisissaan kunnes ilmakehässä irtoavat. Näin kävi Saarenmaalle noin 4000 vuotta sitten pudonneelle rautameteoroidille, jonka pääkraatteri (Kaalijärvi) on noin 100 metriä halkaisijaltaan. Sivukraatterit ovat merkittävästi pienempiä.

Ison rautameteoroidin törmäys maanpintaan tapahtuu yleensä sillä kosmisella nopeudella, jolla kappale päätyi ilmakehään. Törmäys aiheuttaa kraatterin muodostumisen, jonka koko nyrkkisäännön mukaan on 10–20-kertainen törmänneen kappaleen kokoon, ja tuhovaikutus sen mukainen. Onneksi rautameteoroidit ovat hyvin harvinaisia, joten sen mahdollisuus on hyvin pieni.

Pirstoutuneet kappaleet putoavat vapaan putoamisliikkeen nopeudella maanpinnalle synnyttämättä sen suurempia kraattereita. Jos kappaleen aerodynaamiset ominaisuudet ovat vähäiset sen massaan verrattuna, putoaminen 20 km korkeudesta johtaa noin 60 m/s vauhtiin. Tällä nopeudella kappale tunkeutuu kyllä pehmeään maahan tai menee muutaman kymmensenttisen jään läpi, mutta mitään sen kummallisempia vaikutuksia sillä ei ole.

Kun ilmakehään tunkeutuvan kappaleen kohtaamisvauhti ylittää äänennopeuden, kappaleen edessä tapahtuu ilman kompressoituminen. Kompressoituminen on sitä voimakkaampaa mitä suurempi vauhti on. Kompressoituessa kaasun lämpötila kohoaa ja lopulta se saavuttaa lämpötilan, jossa ilma alkaa hehkua. Näin tapahtuu meteoreiksi kutsutuissa ilmiöissä ilmakehän yläosassa. 

Plasman (siis hehkuva ilma) lämpötila on useita tuhansia asteita ja se kuumentaa ja sulattaa meteoroidin pintaa. Hyvin pienissä kappaleissa tapahtuma johtaa lähes koko kappaleen sulamiseen ja höyrystymiseen. Tapahtuma on sen verran lyhytaikainen, että isommissa kappaleissa lämpö ei ehdi siirtyä kovinkaan syvälle, joten sen sisäinen lämpötila pysyy samassa lukemissa kuin avaruudessa ollessaan. Tästä syystä myöskään maahan pudonneet kappaleet eivät ole kuumia, vaan voivat olla jopa hyvin kylmiä.

Yleinen harhaluulo on myös, että ilmakehän kitka kuumentaa ja tuhoaa meteoroidit. Kuten edellä selostetusta ilmenee, ilmakehän ja kappaleen välisellä kitkalla ei ole juuri minkäänlaista osaa tapahtumien kulussa. Tokihan se on olemassa, mutta sen merkitys tapahtumaan on vain marginaalinen.

Kaikkein voimakkain kitkan vaikutus on silloin, kun ilmakehässä pirstoutuneen kappaleen jäännökset putoavat maanpinnalle. Aluksi pirstaleiden yhteinen painopiste jatkaa alkuperäisen kappaleen radalla, mutta vähitellen ilmakehän vastustava voima muuttaa niiden radat kohtisuoraksi putoamiseksi. Tässä vaiheessa kitkan vaikutus on suurin, joskaan ei edelleenkään kovin merkittävä.  Vapaassa putoamisessa kappaleen aerodynaamiset ominaisuudet ovat edelleen merkittävämmässä asemassa kuin kitka.

Kunhan Tšeljabinskin asteroidista saatavissa oleva data on ehditty käsitellä ja analysoida, on lupa odottaa tarkempia tietoja tapahtumasta. Tähän kulunee muutamia viikkoja tai kuukausia mutta odottaminen kannattaa varmasti.