Výzkumy v ASU AV ČR (111): Vznik malých železných meteorů

Jako meteor označujeme světelný jev, který doprovází průnik meziplanetárního tělíska do zemské atmosféry. Při tření o atmosféru se povrch tělíska prudce zahřívá, taví a z hlavního tělesa odpadávají fragmenty. Malé částečky se v drtivé většině případů zcela odpaří. Tomuto procesu se souhrnně říká ablace a znají jej i kosmonauté, vracející se na Zemi z kosmických misí. Lodě jsou obklopeny ablačními tepelnými štíty, které slouží k odvodu tepelné energie a ochraně lodi před roztavením. 

Vraťme se ale k přírodním jevům. Téměř všechny meteory, které můžeme pozorovat během jasných nocí, se postupně zcela odpaří, jen z těch největších a nejsoudržnějších mohou dopadnout zbytky až na povrch zemský. Vysoké teploty v meteoru nutí odpařený materiál zářit, přičemž pořízené spektrum nese podpisy chemického složení pronikajícího tělíska. 

Astronomové z ASU již dříve ukázali, že jen část původců tzv. sporadických meteorů, tedy těch, které nepřísluší konkrétnímu meteorickému roji, patří k primitivnímu chondritickému materiálu. Ten by měl prostupovat celou Sluneční soustavou a být vlastně pozůstatkem po tvorbě planet. Odborníci však spektroskopickou prohlídkou identifikovali celou populaci meteorů, v jejichž spektrech zcela dominovaly čáry železa. Tyto meteory měly i další společné jmenovatele – nízké předatmosférické rychlosti, malé počáteční výšky a jejich oběžné dráhy naznačují původ v hlavním pásu planetek. 

Pozorovaná spektra lze přirozeně vysvětlit tím, že projektily jsou složeny převážně ze železa, i když není možné vyloučit ani železné sloučeniny, například sulfidy železa. To je však pouze část celého příběhu. Ta druhá polovina se dotýká mechanismu, jakým k ablaci takového železného tělesa dochází a jak tedy vznikají pozorovaná spektra. 

D. Čapek a J. Borovička otestovali hned tři hypotézy a konfrontovali je s pozorováním. Studovali záření modelového železného tělíska, které přiblížili homogenní železnou koulí s určitým poloměrem, teplotou závisející na pozici v tělesa a stejnoměrným ohřevem na celém povrchu, který přibližuje rychlou náhodnou rotaci. Uvažovali koule s rozměry 0,7 až 2,1 mm, což jsou rozměry vyplývající z pozorování.

Modelová tělesa nechali vstoupit do atmosféry různými rychlostmi a studovali jevy, ke kterým v jejich blízkosti dochází. Nejprve modelovali fázi předehřívání, kdy se těleso při průniku to atmosféry postupně ohřívá až na teplotu, při níž se železo začne tavit. 

Od této fáze uvažovali tři procesy, které přicházejí v úvahu. Prvním procesem je okamžitá oxidace tekutého železa na povrchu tělesa atmosférickým kyslíkem a následné odpaření oxidu železného. Oxidace je důležitým procesem, neboť některé práce ukazují, že oxidace je vždy rychlejší než odpařování železa. Výsledky tohoto modelu ale nebyly uspokojivé, odpařování je poměrně pomalý proces a vedlo by k delším meteorům s jiným tvarem světelné křivky než se pozoruje. 

Při výpočtu předchozího modelu se ukázalo, že se celé tělísko velmi rychle roztaví. Autoři si tedy položili otázku, zda by rychlejším procesem nebylo roztříštění kapky železné taveniny vlivem hydrodynamických nestabilit. Druhotné rozprášené kapičky by se mohly posléze odpařovat efektivněji a lépe tak připodobnit světelnou křivku té pozorované. Rozprašování kapek je proces, který je dobře prostudován a má dokonce průmyslové využití. Vždyť ke stejnému procesu dochází i ve válcích spalovacích motorů. Z modelu vyplývá, že pokud je rozprašování účinným procesem, mělo by v určité výšce dojít k prudkému nárůstu jasnosti meteoru. Pro realistické nastavení problému se ale ukázalo, že ke studovanému rozprašování nedochází buď vůbec, nebo příliš hluboko. Ani tento proces tedy nedokáže pozorované vlastnosti železných meteorů uspokojivě vysvětlit.  

A konečně třetím uvažovaným procesem je okamžité odstranění železné tekutiny z povrchu tělesa. Autoři předpokládali, že veškerá vzniklá tavenina je z povrchu okamžitě odfouknuta proudem vzduchu ve formě malých kapiček, které jsou tak malé, že se v bezprostředním okolí tělesa okamžitě odpařují a jejich kinetická energie se tak s určitou účinností mění přímo v elektromagnetické záření. Tento model vystihuje světelné křivky meteorů ze tří uvažovaných zdaleka nejlépe. 

Autoři přiznávají, že jejich zjednodušený model má daleko k dokonalosti a například předpovědi počátečních a koncových výšek nejsou zcela v souladu s pozorováním (modelové meteory jsou „umístěny“ o několik kilometrů výše). Na druhou stranu světelné křivky jsou charakterizovány prudkým nárůstem jasnosti a pomalejším poklesem, přesně tak, jak je tomu o pozorovaných meteorů.

Je asi zřejmé, že uvedené procesy se při průniku projektilu atmosféry uplatňují všechny současně. Autoři slibují model v budoucnu vylepšit a očekávají, že se tím nesoulad s pozorováními zmenší. 

REFERENCE

Čapek, D. a Borovička, J., Ablation of small iron meteoroids-First results, Planetary and Space Science 143 (2017) 159-163

KONTAKT

RNDr. David Čapek, Ph. D. 
Email: david.capek@asu.cas.cz
Oddělení meziplanetární hmoty Astronomického ústavu AV ČR

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Oddělení meziplanetární hmoty ASU

Převzato: Astronomický ústav AV ČR, v. v. i.