Miksi meteoroidi pirstoutuu ilmakehässä?

Tseljabinskin meteoroidi jätti jälkeensä komea tiivistymisvanan.
Kuva Wikimedia Commons.

Professori Jay Melosh’in^[1] johtama tutkimusryhmä on selvittänyt tietokonemalleilla kuinka ja miksi Tšeljabinsk’in^[2][3] yllä ilmakehään tunkeutunut meteoroidi pirstoutui. 

Luonnollisesti sama mekanismi hieman varioiden toimii kaikkiin avaruudesta ilmakehään tunkeutuvissa luonnollisissa kappaleissa. Tšeljabinskissa avaruudesta ilmakehään syöksyneen meteoroidin massa^[4] oli arviolta noin 10 000 tonnia ja siitä maanpinnalle päätyi noin 0,1 % eli hieman alle tuhat kiloa.

Tutkimuksen mukaan suurin syy pirstoutumisen on kappaleeseen suurella paineella tunkeutunut ilma. Avaruudessa olevat meteoroidit ovat luonnostaan huokoisia jopa niin, että yli 20 % niiden tilavuudesta on suurempia ja pienempiä onkaloita. Osa huokosista on yhteydessä toisiinsa. Huokoisuuden lisäksi kiviaines on luonnostaan haurasta.

Tšeljabinsk in meteoroidin nopeus ilmakehään tullessa oli yli 50-kertainen äänennopeuteen verrattuna, joten kappale muodosti eteensä (ilman kompressoituessa) sokkiaallon, joka levisi äänennopeudella ympäristöön. Sokkiaallon ja meteoroidin pinnan rajapinnassa paine nousu hyvin suureksi, jolloin ilmaa tunkeutui meteoroidiin huokosten kautta. Vastaavasti jättöpuolella meteoroidia oli täydellinen tyhjiö. Paine-ero meteoroidin sisäisen paineen ja etenkin jättöpuolen välillä johti kappaleen räjähdyksen kaltaiseen pirstoutumiseen.

Varsinainen hajoaminen tapahtui noin 15 – 20 km korkeudessa^[5] ja kappaleen liikerata oli lähes maanpinnan suuntaista. Näin ollen ympäristöön levinnyt sokkiaalto aiheutti maanpinnalla tuhoa laajalla alueella rikkomalla ikkunoita ja sortuipa yksi tehdasrakennuksen seinä äkillisestä paineesta.

Tutkimuksessa ei selvitelty sitä, kuinka kompressoituneen ilman aiheuttama kuumuus ja sen vaikutuksesta pinnan sulaminen ja ablaatio (haihtuminen)^[6] vaikuttivat ilmapaineen tunkeutumiseen meteoroidin sisään. Ainakin pienemmissä kappaleissa olettaisi sillä olevan suuri merkitys.

Huomautus

[1] Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences at Purdue University.

[2] 15.2.2013

[3] Venäjällä

[4] Meteoroidin alkuperäiseksi kooksi arvioitiin 17–20 m.

[5] Pirstoutumiskorkeudesta on useita eriäviä käsityksiä eri lähteissä. Ilmeisesti isompien kappaleiden irtoaminen johti siihen, että meteoroidin kappaleet pirstoutuivat eri korkeuksilla. Vastaavasti yliäänipamauksia kuultiin useita perättäisiä, joskin jotkut niistä olivat varmaankin heijastumia rakennuksista.

Meteoroidin pirstoutumiskorkeuteen vaikuttaa nopeuden ja koon lisäksi kappaleen lujuus, materiaali ja sen huokoisuus. Lisäksi pirstoutumiskorkeuteen vaikuttavat saapumiskulma ja mahdolliset avaruudessa syntyneet halkeamat ja murroslinjat. Lisäksi kosmisen säteilyn aiheuttamat kiderakenteen virheet ja rapautumiset vaikuttavat kappaleen lujuuteen ja kestävyyteen.

[6] Ablaatio poisti meteoroidin massasta 99,9 % ennen kuin se saavutti maapinnan

Lähde

M.E. Tabetah & H.J.Melosh; Air penetration enhances fragmentation of entering meteoroids; Meteor & Planetary Science, 11.12.2017 onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/maps.13034/full

Ensimmäiset tutkimustulokset Rosetasta julkaistu!

Komeetan P67 P :n alueet on nimetty egyptiläisten jumalien
mukaan. Alueiden nimet ja niiden merkitys on selostettu
tekstissä. Kuva ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA.

Euroopan avaruusjärjestön (ESA) Rosetta-luotaimen tekemät mittaukset ja kartoitukset komeetta 67P / Churyumov-Gerasimenkosta (67P) on nyt tutkittu ja julkaistu. Tieteellisten julkaisujen määrä kasvaa lähikuukausina merkittävästi, mutta jo nyt julkaistut tulokset ovat merkittävästi yksityiskohtaisempia kuin mitä milloinkaan komeetoista on voitu julkaista.

ESAn Rosetta-luotain saavutti komeetta 67P viime elokuussa ja asettui sitä kiertävälle radalle. Rosetan mukana oli laskeutumisluotain Philae, joka onnistui laskeutumaan komeetalle marraskuun 12. päivänä, mutta onnettomuudekseen kiinnitysjärjestelmät epäonnistuivat kiinnittäessään luotainta komeetan pintaan, joka sinkoutui johonkin varjoisaan koloon. Tämän lisäksi luotain joutui noin 30° kaltevaan asentoon ja sen seurauksena MUPUS (Multipurpose Sensors for Surface AND Subsurface Science) koetin ei onnistunut tunkeutumaan pintaa syvemmälle ja mitä ilmeisimmin myös rikkoontui. Pinta oli odotettua kovempaa jäätä.

Hiilidioksidin ja veden suhde komeetta 67 P:n eri alueilla.
Kuva ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team
MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA.

Kolossaan Philae sai vain 1,5 h auringonvaloa aurinkokennoilleen komeetan 12,4 h pyörähdysajan aikana. Tämän seurauksena akut tyhjenivät muutaman kymmenen tunnin toiminnan jälkeen ja radioyhteys laskeutujaan katkesi 54 tunnin kuluttua laskeutumisesta. Laskeutujan kaikki kymmenen mittalaitetta ehtivät kuitenkin lähettää joitakin tietoja.  ESAn insinöörit uskovat Philaen selviävän äärimmäisestä kylmyydestä ja palaavan toimintakuntoon lähempänä komeetan periheliä ensi elokuussa, kun auringonvaloa on enemmän saatavilla.

Rosetta on jatkanut komeettaytimen havainnointia ja kartoitusta. Tutkijat ovat nimenneet ytimessä esiintyviä ja hieman erityyppisiä alueita muinaisten egyptiläisten jumalien mukaan. Alueita on kaikkiaan 19 erilaista, jotka jakaantuvat viiteen perustyyppiin; alueet ovat pölyisiä^[1], hauraasta materiaalista koostuvia alueita joissa on kuoppia ja pyöreitä alueita^[2], laajoja painumia^[3], laakeita alueita^[4] ja paljastuneita kovapintaisia alueita^[5]. ESA on julkaissut kartan johon nämä erityyppiset alueet on merkitty.

Komeetan haiduttamien kaasujen määrä ja pölyn erottuminen on
merkittävästi lisääntynyt viime kuukausina.
Kuva ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team
MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM/DASP/IDA.

Aikaisemmat komeettahavainnot ovat tuoneet meille näkemyksen, että komeetan ilmakehä^[6], koma, on hyvin homogeeninen sisältäen tasaisesti vesihöyryä ja muita haihtuvia kaasuja (CO ja CO2 yms.). 67P:n kodalla tämä ei näyttä näin ole, sillä näiden kaasujen keskinäiset määräsuhteet vaihtelevat komeetan pyöriessä ja Rosettan kiertäessä radallaan ydintä. Kaasujen määräsuhteiden vaihtelu oli havaittavissa jo 200 km etäisyydeltä komeetasta jo ennen kuin luotain oli edes asettunut ydintä kiertävälle radalle.

Mielenkiintoinen havainto on myös se, kuinka komeetta kehittää itselleen magneettikentän.  Komeetan lähestyessä Aurinkoa, sen ytimestä haihtuva vesihöyry ionisoituu ultraviolettivalon vaikutuksesta. Vasta syntyneet ionit kiihdyttävät vauhtiaan aurinkotuulen hiukkasten toimiessa kiihdyttimenä. 

Aurinkoa lähestyessää komeettaan kohdistuva aina vain voimakkaampi lämpö nostaa koman tiheyttä ja ionisaatioastetta, jolloin jossakin vaiheessa ilmakehästä tulee sähköä johtava. Tällöin syntyy koko komeetan kattava magneettikenttä, joka luonnollisesti pyrkii pitämään yllä omaa muotoaan. Sen vuorovaikuttaessa aurinkotuulen kanssa syntyy sokkiaalto, joka ohjaa merkittävän osan aurinkotuulen hiukkasista komeetan sivuitse ja hidastaa magneettikenttään päätyvien hiukkasten nopeutta. Näin komeetan magneettikenttä suojaa sen ilmakehää aurinkotuulen rapauttavalta vaikutukselta.

Komeetta 67P / Churyumov-Gerasimenko koostuu kahdesta suuremmasta lohkosta ja niiden välisestä kannaksesta. Pienempi lohko on kooltaan 2,6×2,3×1,8 km ja suurempi lohko 4,1×3,3×1,8 km. Komeetan kokonaistilavuus on 21,4 km³ ja sen kokonaismassa on noin 10 miljardia tonnia. Näin ollen keskitiheys on 470 kg/m³, mikä on tavattoman vähän koska jäästä ja pölystä koostuvan kappaleen keskitiheys pitäisi olla luokkaa 1500–2000 kg/m³. Ainoa oikea päätelmä tästä on se, että komeettaytimen täytyy olla erittäin huokoinen (70–80 %), sen pinnanalaisessa rakenteessa täytyy olla onkaloita jotka ovat jääneet keskenään heikosti toisiinsa liittyneiden kappaleiden väliin.

Huomautukset

[1] Ma’at, Ash ja Babi

[2] Seth

[3] Hatmehit, Nut ja Aten

[4] Hapi, Imhotep ja Anubis

[5] Maftet, Bastet, Serqet, Hathor, Anuket, Khepry, Aker, Atum ja  Apis

[6] Monissa suomenkielisissä teksteissä käytetään myös nimitystä kaasukehä. Aivan tarkkaan ottaen ilmakehän ja kaasukehän välillä on ero, sillä ilmakehä koostuu suurelta osaltaan neutraaleista atomeista ja molekyyleistä, kun taas kaasukehän merkittävin osa on ionisoituneet atomit ja mahdollisesti molekyylit. Sillä, että onko ilmakehässä happea tai ei, ei ole merkitystä! Näin ollen planeetoilla ja kuilla on yleensä ilmakehä ja tähdillä kaasukehä (jos ilmaisua välttämättä halautaan tai tarvitsee käyttää).

Englanninkielisissä teksteissä näiden kahden olotilan välistä eroa ei yleensä tehdä (vaan se selviää asiayhteydestä) ja silloin siellä käytetään sanaa ”atmosphere”.