Miten meteoriitti hajoaa ilmakehässä?

[Macstered]

En ole hirveästi perehtynyt aiheeseen, mutta paljon katsellut taivasta ja nähnyt hienoja meteoreja montakin. Mutta tämä yksi on mietityttänyt jo jonkin aikaa.
Eli miten meteorit yleensä hajoaa kun saapuvat ilmakehään?

Tämän kyseisen meteorin näin 2009/2010 kesällä (eteläinen pallonpuolisko, Adelaide Australia tarkemmin).
Meteori näkyi noin 3 sekunnin ajan ja matka jonka se kulki taivaan kannella oli noin 45 astetta.
Noin puolivälissä matkaa, ilman minkäänlaista kirkastumista tai välähdyksiä valopallosta irtosi tasaisin väliajoin kolme kirkasta valopalloa jotka eivät jättäneet vanaa niin kuin pää meteori ja tippuivat näennäisesti suoraan alaspäin meteorista ja katosivat näkyvistä alle sekunnissa. Tämän jälkeen meteori haipui vain pois näkyvistä.

Laitan vielä kuvan selvittämään. Viivat jotka piirsin vanan ja valopallojen väliin ovat vain havainnollistamaan miltä niiden rata ainakin minun silmään näytti.

[Jarmo]

Eli miten meteorit yleensä hajoaa kun saapuvat ilmakehään?

En ole ihan varma kuinka tarkkaa selitystä kaipaat... periaate kuitenkin on aika simppeli.

Murikka törmää ilmakehään hyvin kovaa vauhtia (15-20 km/s). Ilmanvastus on siis hirmuinen, ja siitä johtuen myös ilman aiheuttama jarrutus (eli negatiivinen kiihtyvyys). Kaikella todennäköisyydellä kappale on pinnaltaan hieman epätasainen, ja lisäksi se pyörii. Kiven eri osat siis saavat aika vaihtelevia jarrutusvoimia osakseen. Syntyy jännitteitä, ja kivi halkeaa niiden vaikutuksesta. Mikään kivi kun ei ole rakenteeltaan täysin homogeeninen, vaan sieltä löytyy halkeamia ja mikrorakoja, erikokoisia mineraalirakeita ja kiteitä.. Kuvittele vaikkapa betonimurikkaa, jota hakataan lakkaamatta konevasaralla samalla pyöritellen kappaletta. Kun se lopulta hajoaa jostain kohdasta, jatketaan puolikkaiden hakkaamista.

Toinen hajoamiseen vaikuttava asia on lämmitys. Taitaa olla itse asiassa tärkeämpi kuin tuo edellinen. Törmäys ilmakehään* nostaa kiven pinnan lämpötilan muistaakseni yli 1000-asteiseksi. Oliko se peräti 1500 astetta? No, kuitenkin, murikka alkaa sulaa pinnalta, kerros kerrokselta, pyörimisen vuoksi joka puolelta. Ja kivisulaa tippuu matkasta pois koko ajan. Tuon takia kaikissa maan pinnalta löydetyissä (tuoreissa) meteoriiteissa on sulamiskuori.

Lisäksi: Maahan päästessään meteoriitin sulamiskuori ei muuten enää ole lämmin. Vauhti on hidastunut jo aika korkealla niin hitaaksi, että kitkan aiheuttama lämpötila on laskenut sulamispisteen alle. Ja koska sulamista tapahtui vain ihan kiven pinnalla, kylmä ilma jäähdyttää kiveä tehokkaasti sen tippuessa. Samoin tekevät sisäosat jotka ovat "avaruuden lämpötilassa". Lopullinen nopeus on noin terminaalinopeus, taisi olla kymmeniä - satoja km/h. Tömähtää alas kovaa, mutta viileänä.

* Kyse on siitä, että ilma pakkaantuu kiven edessä, ja ilma kuumenee. Meteorin loiste tulee tästä. Ja ilman kuumetessa kiven pinta lämpenee. Kyse ei ole "kitkasta", mutta tavallaan sen voi kuvitella kitkaksi, vähän niinkuin.

Kaima muistanee tarkemmin mitä kaikkea muuta tuossa tapahtuu. 

Jarmo

[Esko Lyytinen]

Jarmo selitti itse hajoamistapahtumaa. Jatkan hiukan toiselta kannalta.

On aika yleistä että tekee vaikutelman että pikkufragmentit poikkeaisvat ihan kohtisuoraankin reitiltä. Ei tätä tapausta kait sillä tavalla havaitsija tulkinnut(?), mutta sellaisia raportteja toisinaan saamme ja tämänkin kuvan piirroksineen voisi siten virheellisesti tulkita.
Kun silmä seuraa meteoria (pääkappaletta), niin voi tosiaan vaikuttaa että siihen verrattuna poikkeaa suoraan sivulle tai jää jälkeen (kuten pienemmät yleensä tekevät) ja poikkeaa myös vahvasti sivulle. OIkeasti pikkusirpaleen reitti (hajoamisesta eteenpäin) poikkeaa alkuperäisestä enimmillään ehkä noin kaksi astetta eli linja ei paljoa poikkea, mutta katsojalle tosiaan voi tehdä vaikutelman että tekisi jyrkän kulman ja lähtisi ihan eri suuntaan.
Tässä siis ihan ilmeisesti eronneet pienemmät fragmentit hidastuivat ilmakehässä nopeammin ja jäivät jälkeen ja hajoamisessa myös reitin suunta vähän muuttui ja näytti kuin poikkeaisivat sivuille, ehkä alas. Ja kaikki poikkesivat tässä siis samalle puolelle, Voisivat poiketa myös eri puolille.

Ja tässä irtosivat siis eri aikaan yksittäin. Aika yleistä on että samalla kertaa irtoaa useita tai hajoaa ihan kunnolla.
Tällaisiin liittyy yleensä hetkellinen kirkastuminen koska samalla irtoaa mös hienoa ainesta joka pysähtyy ja luovuttaa liike-energiansa melkein heti.

Esko

[Macstered]

Kiitoksia vastauksista.
Noin niin kuin perusmekaniikan ymmärrän kyllä miten lämpeneminen tapahtuu ja siitä seurannut hajoaminen. Lähinnä tuossa kyseisessä meteorissa ihmetytti irronneiden osien näennäisesti reilusti poikkeava lentorata. Mutta viimeisimmässähän tuo on hyvin selitetty.

[Jarmo Moilanen]

Jep. Tuo Eskon mainitsema vajaan 2 asteen poikkeama johtuu irtoavan kappaleen ja pääkappaleen väliin työntyvästä ilmasta joka työntää kappaleet erilleen.

Ilmanvastuksen aiheuttama paine on se joka useimmiten hajottaa kappaleet. Kivisillä kappaleilla on tietty murtolujuus olemassa. Se ei ole järin suuri. Luokkaa megapascaleita (1-200 MPa). Kun kappaleen nopeus on luokkaa yli kymmenen kilometriä sekunnissa niin tämmöiset paineet saavutetaan hyvin helposti varsinkin alempana tiheämmässä ilmakehässä. Jos kappale on valmiiksi rikkonainen niin hajoaminen on todennäköistä. Käytännössä kaikki meteoroidit hajoavat ilmassa jonkin verran. Poikkeuksena ihan pienet kappaleet jotka eivät edes ehdi tarpeeksi tiheään ilmakehään ja syntynyt lämpö ehtii höyrystää koko kappaleen.

Kappaleen etupuolelle osuva ilma muuttuu itse asiassa plasmaksi eli lähinnä ilmakehän typpi- (N2) ja happimolekyylit (O2) hajoavat ioneiksi. Tämän plasman lämpötilaksi on mitattu jopa 4000 K. Isompien kappaleiden kohdalla lämpötila voi olla jopa yli 40 000 K (muistaakseni joku arvio Tunguskan kappaleelle). Lämpötila joka tarvitaan kivimeteoriitin pinnan sulattamiseen on alle 1800 K. Siksi tällaiset 4000K lämpötilat saavat meteoroidin pinnan sulamaan. Puhutaan ablatoitumisesta, joka tarkoittaa pinnan kulumista eli eroosiota sulaen, höyrystyen ja murentuen. Tämä ablaation syö hetkessä pinnassa olevat halkeamat ja kuopat isommiksi ja hajottaa kappaleen. Se myös pyöristää kappaleen ja synnyttää meteoriiteille tyypillisen sulamiskuoren.

Hajoaminen näkyy aina tulipallon kirkastumisena kuten Esko totesi. Jos irtoava kappale on riittävän kookas niin se saattaa näkyä pienempänä tulipallona joka jää koko ajan pääkappaleesta jälkeen ja useimmiten sammuu ennen pääkappaletta. Kannattaa googlettaa "Peekskill fireball video". Se hajoaa videoilla kymmeniin palasiin, jotka jäävät jatkamaan matkaa pääkappaleen jälkeen. Tuosta on pudonnut alas useita kappaleita, mutta vain yksi 12 kilon kappale löydettiin kun se rysähti auton (1980 Chevrolet Malibu) takakontin läpi (googlaa "Peekskill car").

Vanhastaan on esitetty arvioita että jopa puolet meteoriiteista putoaisivat alas useampana kuin yhtenä kappaleena. Itse luulen että lähes kaikki putoavat alas useampana kuin yhtenä kappaleena. Löydöt jää helposti yhteen yksittäiseen kappaleeseen, koska kappaleet putoavat usein hyvinkin laajalle alueelle jota kukaan ei saa tutkittua tarpeeksi tarkkaan. Sellaisia meteoriitteja tunnetaan jossa kappaleita on löytynyt 200 tai jopa 400 km matkalta. Suurimmista "meteoriittisateista" on kerätty talteen useita kymmeniä tuhansia kappaleita. Valtaosa niistä on toki pieniä murusia.

Isokin kappale voi tuhoutua täysin tulipallovaiheessa. Se murenee niin pieniin ja niin nopeasti että viimeisetkin kappaleet jotka syntyvät tulikuuman plasman keskellä ablatoituvat hetkessä olemattomiin. Täysin olemattomiin ne ei tietenkään häviä. Tulipallon jälkeen taivaalle jää usein pölyvanan jossa on uudelleen kondensoituneita pisaroita kiviainesta eli ns. sferuleita. Nämä pienet palloset putoavat maahan aikanaan. Jopa kuukausien kuluttua ja jopa toiselle puolen Maapalloa. Niitä voi muuten kerätä rakennusten sadevesiränneistä magneeteilla. Se on ihan oma harrastuksensa maailmalla. Erään tutkimuksen lopputulos oli että maahan putoaa 1 mikrometeoriitti per 6 neliömetriä joka vuosi. Siis isomman omakotitalon katolle kopsahtelee useampi mikrometeoriitti per vuosi!