Tseljabinskin meteoriitti vaikutti pienkappaleiden törmäysuhka-arvioon

[Mare Nectaris]

Kaikki höpinät fuusioista näissä kannattaa unohtaa. Niin tässä kuin Tunguskassakin. Tulipalloissa esiintyvät lämpötilat eivät todellakaan riitä saamaan aikaan lämpöfuusiota (ja muut fuusiomekanismit voi unohtaa).

Totta.

Artikkeli on kuitenkin aivan asiallinen, refereemenettelyn läpikäynyt teksti. - Kun tuon mainitun artikkelin lukee, siinä nimen omaan osoitetaan, että ydinreaktio olisi teoreettisesti mahdollinen mutta vaikutuksiltaan mitätön. Oletetaan massaltaan 5 x 10¹³ gramman kappale. Se kykenisi saapumaan kohtisuoraan Maahan ennen ilmakehään osumistaan maksiminopeudella 72 km/s. Läpi ilmakehän tapahtuvan 3 sekunnin lentonsa aikana massa kykenisi tuottamaan viimeisen 2 sekunnin aikana kaasutaskussaan (gas cap) 4 x 10⁵ Kelvinasteen lämpötilaista, täysin ionisoitunutta plasmaa. Paperissa esitetyllä, hypoteettisella (Helium 3-atomeja sisältävällä) reaktioyhtälöllä syntyisi vain maksimissaan n. 5 x 10^-3 Joulea energiaa. Täysin mitätön määrä siis koko tapahtumaan nähden. Energiaa olisi tarvittu n. 16 MJ, jotta olisi saavutettu tapahtumasta raportoidun 60 km päässä edes Auringon säteilyintensiteetti.

Sen sijaan oletetun kokoisen 5 x 10¹³ g kappaleen ilmakehään törmätessä syntyvä sylinterimäinen aerodynaaminen shokkiaaltorintama oli maassa oleviin puihin osuessaan paineeltaan 25 000 ilmakehää, ja kaasun lämpötila oli 400 000 Celsiusastetta. Kyseessä oli kineettinen energia, joka olisi kyennyt höyrystämään mainitun massaisen kappaleen 550 kertaa.

Artikkelissa spekuloidaan, että komeetan ainesosilla varustetun kappaleen törmäys Venus-planeettaan voisi tapahtua laskennallisesti jopa 85 km/s nopeudella, ja tästä aiheutuva ydinreaktion tuottama lämpö olisi suurempi. Merkittäviin lukemiin päästäisiin kuitenkin vasta yli 100 km/s nopeuksissa, mikä ei ole artikkelin mukaan fysikaalisesti mahdollista normaalille Aurinkokunnassa Newtonin mekaniikan mukaan liikkuvalle kappaleelle. 

[Jarmo Moilanen]

Ok. Kohtalaisen kaukaa haettu tuollainen reaktio. On toki hyvä että tuollainen vaihtoehtokin on selvitetty.

Tuli mieleen että eiköhän kappaleen etupuolella olevassa kaasutaskussa olisi myös ionisoituneita ilmakehän kaasuja (typpeä ja happea) sotkemassa mahdollista fuusioreaktiota. Lisäksi ablaatio alkaisi sulattamaan kappaleen etupuolta ja ionisoituneet kaasut sitoutuvat sulaan ainekseen. Esim. rauta hapettuu meteoriiteissa välittömästi.

Voisi myös spekuloida että törmäävän Helium 3 -pitoisen komeetan etupuolella voisi syntyä niinkin eksoottista ainetta kuin heliumoksidia. Helium on jalokaasu joka ei reagoi normaalisti hapen kanssa, mutta noin äärimmäisissä oloissa sellaista voisi hyvinkin syntyä.

[jussi_k_kojootti]

Jos tuommoinen plasmatasku todella alkaisi tuottaa merkittäviä määriä energiaa, niin mikä estäisi taskua laajenemasta, jäähtymästä -- ja energiantuotantoa päättymästä?

[Jarmo Moilanen]

Mikä oikeastaan aiheutti räjähdyksen Tseljabinskissa kun meteoriitissa ei ole räjähtäviä aineita?

Räjähdyksen kaltaisia tapahtumia oli kolme. Ensimmäinen oli voimakkain ja kirkkain. Se tapahtui 23,3 km korkeudessa. Tulonopeushan sillä oli 18,6 km/s ja se ei ollut hidastunut kokonsa vuoksi vielä paljoakaan. Infraääni räjähdyksestä kiersi Maapallon pari kertaa ja se havaittiin sen matkattua 85 000 km. Räjähdys rekisteröityi 2,7 magnitudin maanjäristyksenä. Kaksi heikompaa räjähdystä olivat lennon myöhemmissä vaiheissa.

Kyseessä oli siis ns. air burst (ilmaräjähdys). Se perustuu termodynamiikan ensimmäiseen pääsääntöön: Energiaa ei voida luoda eikä hävittää. Energiaa voidaan ainoastaan muuttaa muodosta toiseen.

Kun kappale tulee ilmakehään sen eteen puristuu korkeaan paineeseen ja lämpötilaan ionisoitunut kaasupatja. Ilmakehä ei ehdi alta pois. Tämä kuuma kaasupatja ja sen virtaus kappaleen pinnalla aiheuttaa kappaleen pinnan sulamista ja ablaatiota eli kulumista. Tämä ilmakehän vastustus synnyttää myös valtavan paineen itse kappaleeseen. Isommat kappaleet muuttavat jopa muotoa rasituksesta ja pienet hajoavat. Kappaleeseen kohdistuva paine ylittää pian kivimateriaalin kestokyvyn ja se alkaa murenemaan. Irtoavien kappaleiden nopea hidastuminen vapauttaa energiaa ja tämä aiheuttaa tulipallon kirkastumisen. Tseljabinskin tulipallossa on selvä noin viiden sekunnin jatkuva kirkastuminen ennen pääräjähdystä. Kirkastuminen johtui kappaleen alkaessa murentua reunoilta.

Tseljabinskin kappale oli kuitenkin niin iso että paine kasvoi riittävän suureksi hajottaakseen koko kappaleen katastrofaalisesti. Kun iso massiivinen kappale hajoaa niin syntyvät pienet kappaleet hidastuvat voimakkaasti ilmanvastuksen takia. Tämä hidastuminen vapauttaa liike-energiaa ja termodynamiikan säännön mukaisesti se ei häviä vaan muuttuu säteilyksi. Vapautuva säteily saa ympäröivän kaasun laajenemaan ulospäin pallomaisena rintamana (hydrodynamic front). Tämä rintama työntää ympäröivän ilman eteenpäin ja puristaa sen laajenevaksi shokkiaalloksi. Shokkiaalloksi paineaaltoa sanotaan kun se etenee ääntä nopeammin. Ilmassa shokkiaalto kuitenkin hidastuu hyvin pian äänen nopeuteen ja muuttuu paineaalloksi. Ydinräjähdyksissä 40-50% energiasta siirtyy paineaaltoon ja 30-50% lämpöön (sis. IR, UV ja näkyvä valo). Prosenttiluvut ovat luultavasti samansuuntaisia tämän kokoluokan tulipallon räjähdyksessä. Ero on siinä että ydinräjähdyksessä energia vapautuu ketjureaktiosta.

Paineaalto koostuu kahdesta osasta. Staattisen ja dynaamisen (räjähdyksen synnyttämä tuuli) ylipaineen vaiheesta sekä alipainevaiheesta (ilma liikkuu takaisinpäin). Ylipaine ja dynaaminen paine on ne jotka aiheuttavat merkittävimmät vahingot. Ikkunoiden rikkomiseen tarvitaan noin 4-7 kPa ylipaine, mikä syntyy esim. 20 Kt ydinpommin räjähtäessä 20-30 km päässä.

Jos tuo 20 metrin kappale olisi tullut jyrkempään ja iskeytynyt maahan hajoamatta niin syntynyt räjähdyskraatteri olisi ollut kooltaan 150-250 metriä ja räjähdys olisi vastannut ainakin n. 5-20 Hiroshiman atomipommia riippuen tulokulmasta. Vahingot olisi olleet paljon isommat silloin. Jotain onnea tässäkin tapauksessa siis.

[Jarmo Moilanen]

Pohdin tuossa että mitä sille kappaleen eteen puristuneelle ionisoituneen kaasun (plasman) patjalle oikein tapahtuu kappaleen hajotessa katastrofaalisesti. Ilmeisesti se purkautuu vapaisiin suuntiin eli sivuille ja taaksepäin. Käsittääkseni tämä ei selitä paineaaltoa sillä plasmapatjan paine ei ole tarpeeksi suuri kun se vuotaa koko lennon ajan sivulta. Koska kyse on plasmasta niin siinä tapahtuu laajentuessa hyvin nopea rekompinaatio eli happi- ja typpi-ionit yhdistyvät takaisin O2 ja N2 molekyyleiksi. Tämä synnyttää valoa koska reaktiossa vapautuu fotoni.

Jotain tällaista. En väitä ymmärtäväni kaikkea mitä näihin liittyy. Aiheesta on ollut vaikea löytää hyvää kattavaa tutkimusta. Tietomurut ovat usein palasina eri artikkeleissa ja niitä on vaikea joskus yhdistää kokonaisuudeksi.

Kun joku löytää korjattavaa tähän ja edelliseen viestiini niin antaa tulla.

[Mare Nectaris]

Tuossa artikkelissa tarkastellaan tilannetta, jossa komeettamaisen iskeytyjän kaasutaskuun muodostuu stagnaatiotila (stagnation volume). Aerodynaamisen lämmön oletetaan lämmittävän nimen omaan kaasutaskua eikä iskeytyjän pintaa (komeetan tapauksessa). Kaasutaskuun muodostuvan stagnaatiotilan ominaisuuksia lämpötilan, paineen ja tiheyden suhteen voidaan artikkelin mukaan mallintaa. Voidaan myös arvioida siitä virtaavan materiaalin määrää ja ominaisuuksia käyttäen kahden vastakkaisen säteisvirtauksen ominaisuuksia (two opposed radial jets). Toinen virtaus on tilaan saapuvien ilmamolekyylien vuo ja toinen komeetan huokoisesta, höyrystyvästä pinnasta ablatoituva materiaali.

Artikkelin mukaan on tunnettua, että tällaisessa vastakkaisten säteisvirtausten oloissa stagnaatiotila muodostaa vain 0,02 osaa koko kaasutaskun tilavuudesta. Fuusio syttyy ääntä nopeamman ilmalennon (supersonic) aerodynaamisesta lämmöstä ja kaasutasku sulkee plasman stagnaatiotilaan.

Juuri mm. tästä pienestä tilavuudesta (ja toki suhteellisen matalasta lämpötilasta) sekä rajoittuneesta ilmakehään iskeytymisnopeudesta tulevat reunaehdot syntyvälle reaktiolle. Koko ilmakehässäolotapahtuma kestää n. 3 sekuntia, josta 2 sekunnin aikana mallinnoksessa käsitellään stagnaatiotilassa syntyvän plasman tilaa. Aiemmassa viestissä oli muita tunnuslukuja energioista ja mm. shokkiaaltorintaman voimasta. - Tuossa artikkelissa on paljon laskukaavoja eri asioille.

[Jarmo Moilanen]

Katsoin tuon artikkelin nyt pääpiirteissään. Ihan asiallinen moneen muuhun Tunguska kirjoitteluun verrattuna. Silti tuo on minusta enempi älykästä spekulaatiota. Tuossa artikkelissa kuitenkin päädyttiin siihen mikä pitää paikkansa eli räjähdys johtui kappaleen katastrofaalisesta hajoamisesta. Mutta siinä harhaudutaan spekuloitiin kemiallisella räjähdyksellä. Ei sitä tarvita.

Kiitos muuten tuosta artikkelista. Siinä on tuo yksi lämpötilakaava jollaista olen joskus etsinyt.

Yksi iso ongelmahan tuossa ideassa on. Tseljabinskin meteoriitille jossain arvioitiin puristusmurtolujuus vain 1 MPa. Labratesteissä puristusmurtolujuudeksi saadaan tosin arvoja 50-200 MPa kiville, mutta vastaavasti vain 1-5 MPa kun vastaava on arvioitu tulipallojen hajoamisista. Rajan ylittyessä kappale ei kestä vaan alkaa hajota. En oikein usko että nuo riittävät synnyttämään riittävän paineen ja lämmön fuusiolle vaikka kaasutasku syntyisikin. Muistan nähneeni arvion että Tunguskan kappaleen edessä lämpö nousi johonkin 45 000 K. En löytänyt tuosta artikkelista stagnaatiopisteen painetta suoraan enkä alkanut laskemaan. Puita kaatavan paineaallon paine oli jutun mukaan kuitenkin peräti 25 GPa (25000 atm). Mikä ei voi pitää paikkaansa. Tuollainen paine rikkoisi jo kalliota ja synnyttäisi matalan maljamaisen kraatterin kuten eräät ilmassa tehdyt ydinkokeet.

Tunguskan tapaus on melko hyvin selitetty ja mallinnettu ihan perusvoimilla mitkä liittyvät ison kappaleen törmäykseen ilmakehän kanssa. Räjähdyksen voimahan on simulaatioiden mukaan ollut luokkaa 5 Mt TNT eikä 10-15 Mt TNT kuten aiemmin on laskettu. Ero johtuu kappaleen nopean liikkeen huomioimisella. Sen vaikutusta ei ennen noita Boslough:in supertietokonesimuja ole osattu huomioida oikein.
Sandian (Mark Boslough) simulaatioita tapauksesta jos joku ei ole nähnyt:
https://share.sandia.gov/news/resources/releases/2007/asteroid.html

Youtubessa sivusta katsottu simulaatio jos ongelmia edellisten videoiden kanssa:
http://www.youtube.com/watch?v=HjJuMFQyNyw

Noista Sandian simulaatioista saa kyllä sen kuvan että paineaalto ei johdu mistään räjähdyksestä vaan se on ihan puhtaasti kappaleen synnyttämä paineaalto*. Olen itse ollut vähän tuolla kannalla että Tseljabinskissakin tuhot synnytti ihan puhtaasti suuren nopean kappaleen paineaalto eikä mikään räjähdys. Mutta kun minua fiksummat ovat olleet sitä mieltä että energian vapautuminen hajoamisessa olisi syy havaittuun vahinkoja tehneeseen paineaaltoon.

*) Räjähdys aiheuttaisi erillisen pallomaisen paineaallon.

[Esko Lyytinen]

Noista Sandian simulaatioista saa kyllä sen kuvan että paineaalto ei johdu mistään räjähdyksestä vaan se on ihan puhtaasti kappaleen synnyttämä paineaalto*. Olen itse ollut vähän tuolla kannalla että Tseljabinskissakin tuhot synnytti ihan puhtaasti suuren nopean kappaleen paineaalto eikä mikään räjähdys. Mutta kun minua fiksummat ovat olleet sitä mieltä että energian vapautuminen hajoamisessa olisi syy havaittuun vahinkoja tehneeseen paineaaltoon.

*) Räjähdys aiheuttaisi erillisen pallomaisen paineaallon.

Olen aika lailla samoilla linjoilla tässä asiassa Jarmon mielipiteen kanssa.
Kaiken kaikkiaan enegia kuitenkin on peräisin kappaleen liike-energiasta. Kun tulonopeus oli n 18.5 km/s niin vaikka olisi dynamiittia koko kappale niin sen räjähdyksestä vapautuva energia oli pieni murto-osa kappaleen like-energista. Eikä mielestäni ole syytä spekuloida kemiallisella räjähdyksellä eikä ydinräjähdyksellä.
Vaikka kemiallista räjähdystä tapahtuisikin niin energian kannalta sen vaikutis olisi vähäinen.
Nopeassa hajoamisessa kuitenkin liike-energia vapautuu nopeasti. Pienet fragmentit ja sirut ja varsinkin kaasut hidastuvat hyvin nopeasti ja luovuttavat kukin energiansa nopeasti. Siten pienessä tilassa vapautuu äkkiä runsaasti energiaa. Niinpä on siltä kannalta kyllä räjähdysmäinen. Jos ajatellaan sytyvää paineaaltoa niin mielestäni on jossain määrin tällaisten välimuoto.
Runsaasti yli äänen nopeudella etenevästä kappaleesta paineaalto lähtee liki kohtisuoraan liikerataan nähden. Mutta kun hidastuu lähelle äänen nopeutta niin suuntautuu enemmän eteenpäin. Ja tapahtuuhan siinä myös nopeaa ilmakehän kaasujen laajenimista äkillisestä lämenemisestä. Eli hajoamisesta kyllä ilmeisesti lähtee muuallekin kuin sivusuuntiin.  Mutta kun on kerrottu että infraääni kiersi kahteen kertaan maapallon, niin täällä melko etupuolella olevilta skanidnaavisilta asemilta ei ole "kuulunut" mitään infraäänihavaintoja vaikka melko lähellä, enkä itse sellaisia automaattitunnistuksista äkkiseltään "löytänyt".

Esko

EDIT: Jatkan vielä. Jos oletetaan että energin vapautuminen vastaisi kirkkautta, niin huomioden että tuolloin vielä pääkappale (ehkä suurien rykemänä kuteinkin hyvän aikaa) liikkui vielä n 18 km/s niin "pääräjähdysalue" olisi pitkänomainen luokkaa 10 km tai enemmän, siis kirkkaimmalla alueella eli suurimman enegian vaputumisen alueen kannalta. Sivuttaisleveneminen tänä aikana oli vain pieni osa tästä eli paineaaltoakin ajatellen arvelisin tällaisesta lähtevän selvästikin enemmän sivuille suuntautuvan pää-paineaallon eli jokseenkin yliäänipaineaaltoa muistuttavan. Eriillisiä "komponentteja" kyllä varmaankin lähti muihinkin suuntin.

[Jarmo Moilanen]

Jep. Kun katsotaan räjähdysenergiaa per massa, niin meteoriittien törmäysenergia (eli törmäyksessä vapautuva liike-energia) sijoittuu voimakkaimpien tavanomaisten räjähdysaineiden ja ydinräjähteiden väliin. Ihan johtuen valtavasta kineettisestä energiasta mikä näillä moninkymmenkertaisella äänennopeudella lentävillä kappaleilla on.

18 km/s on 56 Machia eli 56 kertaisesti äänennopeus. Kiväärin luotihan liikkuu vain 3 Machia. Tuollaisella 56 Machin nopeudella syntyvä kartiomainen shokkiaalto on 1° kulmassa kappaleen lentorataan nähden eli shokkiaaltorintama on lähes lieriö. 3 Machia lentävällä kiväärin luodilla vastaava kulma on 19,5°. Mach 1 rajanopeudella kulma on tietysti 90°.

Jos joku muistaa niin Tseljabinskin uutisoinnissa väitettiin perättömästi että Venäjä olisi ampunut ohjuksella tulipalloa. Valitettavasti mikään ohjus ei saa näitä kiinni... Pitäisi päästä ampumaan ns. vastapalloon ja silloinkin varotusaikaa pitäisi olla paljon. Jos olisi reagoitu tulipalloon niin ohjus ei olisi ehtinyt edes perille ajoissa. Mutta jos kuitenkin osuttaisiin niin silloinkin olemassa olevien ohjusten (ei ydinohjusten siis) räjähdysvoima olisi käytännössä merkityksetön voimien rinnalla joita kappale kokee ilmakehää halkoessaan. Toki jos ohjuksella osuu niin kyllä se 15 metrisen kiven hajottaisi.