партнеры
Среда 22 ноября
Лента новостей

Hi-tech

Челябинский метеорит взорвался как "каменное облако"

Фото: nasa.gov
Решение вернуться к описанию взрыва Челябинского метеорита появилось после очередного просмотра видеозаписей его падения. Стало ясно, что на записях видеорегистраторов зафиксирован весь процесс падения небесного тела, начиная с того момента, когда он вошел в плотные слои атмосферы и загорелся, заканчивая самим взрывом, который наделал столько разрушений в Челябинске.
прочитано 1277 раз

Известно, что метеорит падал со скоростью 20 километров в секунду под углом 20 градусов. Значит, он приближался к Земле со скоростью 6,5 километра в секунду. На записях видно, что метеорит падал до взрыва 10-11 секунд. Значит, за это время он приблизился к Земле на 65 км. Так как взорвался метеорит на отметке 25-30 км, то загорелся он на высоте 95 км над Землей, и это многое объясняет. Ведь 95 км это та высота, где воздух начинает себя вести как сплошная среда.

ПО ТЕМЕ

Получается, что видеорегистраторы отсняли весь процесс горения и разрушения метеорита в атмосфере Земли. За кадром нет ничего, метеорит спокойно падал до высоты 100 км, и как только вошел в "плотные слои атмосферы", сразу загорелся. Теперь можно буквально по секундам узнать, что происходило "за бортом" метеорита до взрыва – какое давление было в плазме вокруг него.

Для описания взрыва в небе над Челябинском мы покажем, что:
1. давление в плазме вокруг метеорита было в сто тысяч раз выше, чем атмосферное давление;
2. во время взрыва давление в плазме мгновенно выросло почти в миллион раз.
А также объясним, почему это происходит.

Высота 95 км над Землей – это та самая высота, на которой образуется сплошная среда. А выше этой отметки наблюдают северное сияние, там, где плазма спокойно существует в атмосфере и не выталкивается из нее, как после взрыва или молнии. По сути дела, отметка 95-100 км над Землей – это граница раздела фаз или состояний, где, например, можно летать с любой скоростью, и тебе за это ничего не будет, а если спуститься ниже отметки 95 км на большой скорости, то обязательно загоришься. Почему? Потому что при быстром движении метеорит придает критическое ускорение сплошной среде и буквально разрывает ее, как при взрыве. Просто выше 100 км нечего разрывать – нет сплошной среды. При разрушении сплошной среды появляется высокотемпературная плазма, будь это воздух или камень, когда им высекают искру при ударе.


Метеорит разрушает сплошную среду все время пока летит с большой скоростью, и в это время на молекулы воздуха вокруг метеорита действует сила, которая ускоряет их по экспоненте, как во время взрыва, и мы наблюдаем непрерывный или перманентный взрыв. Молекулы воздуха ускорялись бы без ограничения, если бы не сталкивались друг с другом. Но они сталкиваются между собой, излучают фотоны, и тем самым тормозятся.

Именно фотоны мы и видим, когда наблюдаем взрыв, но это следствие, а не причина взрыва.

Обычный взрыв длится микросекунды. При падении челябинского метеорита мы наблюдали взрыв, который длился 10 секунд. Это вечность по сравнению с обычном временем взрыва. За это время в оболочке из высокотемпературной плазмы устанавливается термодинамическое равновесие, и можно определить, какая температура и давление были "за бортом" метеорита. При этом температура в плазме вокруг метеорита выше, чем в молнии. Так, например, на высоте 50 км воздух в тысячу раз  более разреженный, чем на Земле, поэтому меньше столкновений между молекулами. Следовательно, молекулы меньше тормозятся. Поэтому в плазме молнии температура достигает 30 тысяч градусов, а в плазме вокруг метеорита – 100 тысяч градусов.

Всего 10 секунд падал метеорит в сплошной среде. За это время он пролетел 200 км, но даже невооруженным глазом видно, что нисколько он не тормозился о разреженный воздух, как нам рассказывали ранее, а, скорее всего, еще и ускорялся при свободном падении на Землю.

Также видно, что несостоятельна версия о том, что метеорит взорвался из-за перепада давления между передней и задней его частью. Как можно говорить о разности давления между передней и задней частью метеорита диаметром 15 метров в оболочке из высокотемпературной плазмы, диаметр которой больше ста метров? Размер оболочки можно оценить по видеозаписи. Внутри оболочки термодинамическое равновесие – одно давление и одна температура вокруг метеорита. 


Давление в плазме значительно выше, чем давление, которое возникает при сопротивлении воздуха, так как температура в оболочке вокруг метеорита на несколько порядков выше, чем температура воздуха. Падал метеорит в открытом пространстве, которое он не мог сжимать. Все как раз наоборот, высокотемпературная плазма создает ударную волну, такую же, как создает ракета при взлете, и эта ударная волна "разжимает" воздух.

Есть "медицинских факт": метеорит разрушился на отметке 25-30 км, это хорошо видно на видеозаписи. Метеорит был обычным хондритом, состоящим в основном из железа и кремния, фрагмент его сейчас стоит в музее Челябинска. Хондриты выдерживают давление 1000-2000 атм, как и гранит, значит на отметке 30 км давление в плазме вокруг метеорита было порядка 1000 атм, а на отметке 28 км – 3000 атм. Зная это давление мы сейчас легко восстановим картину падения челябинского метеорита и объясним, почему он взорвался на отметке 25-28 км.

Главное, что мы сможем объяснить, почему взрыв метеорита после его разрушения был эквивалентен взрыву 500 тысяч тонн в тротиловом эквиваленте. Это самое загадочное явление природы, которое до сих пор остается одним из самых удивительных ее проявлений. Вот интервью, которое академик В.Е. Фортов дал сразу после падения челябинского метеорита. В нем он рассказал, как сгорают малые и большие метеориты в "плотных слоях атмосферы". Поскольку Фортов возглавляет Объединенный Институт Высоких Температур, то он точно и правильно описал, как сгорают метеориты в атмосфере Земли. Правда, для объяснения этого явления он использовал механику сплошной среды, которая в силу непрерывности ее параметров не может объяснить критические явления, такие, как взрыв. Поэтому, чтобы объяснить взрыв, он сделал предположение, что метеорит состоял из метана.

Почему взрыв? Дело в том, что метеорит (хондрит) разрушается при давлении 3000 атм, а взрыв, который был зафиксирован в небе над Челябинском, соответствовал давлению в миллиард атмосфер. Чем объяснить давление в миллиард атмосфер в небе над Челябинском? С помощью механики сплошной среды, очевидно, не получится. Поэтому В.Е. Фортов и предположил, что там был метан. Однако, вес челябинского метеорита, по оценке экспертов во время взрыва, составлял 10 тысяч тонн. Даже если бы он весь состоял из метана или тротила, то это было бы всего 2% от взрыва 500 тысяч тонн в тротиловом эквиваленте, который реально наблюдался в небе над Челябинском. Мало того что там не было тротила, там не было и метана, а был простой камень, фрагмент которого стоит в музее, и его можно потрогать. Как такое явление можно объяснить?

Дело в том, что когда оболочка из плазмы раздавила метеорит на отметке ниже 30 км, он превратился в "каменное облако" и потом уже взорвался по законам взрыва грозового облака или баллона с газом. Действительно, если посмотреть на раздавленный метеорит на высоте 28 км под давлением 3000 атм, то это, по сути дела, "каменное облако", состоящее из молекул соединений железа и кремния, и рвануло оно значительно сильнее, чем взрываются газовые баллоны под давлением 120 атм. Взрыв газового баллона эквивалентен взрыву 1 кг тротила, судя по этой записи. Поэтому взрыв челябинского метеорита был эквивалентен взрыву 500 миллионов газовых баллонов.


Ведь для взрыва облака или баллона с газом нужно избыточное критическое давление в некотором объеме. Критическое давление здесь как детонатор для снаряда. Заметим, что именно избыточное давление является источником центрально-симметричной силы, которая ускоряет молекулы газа по экспоненте после разрушения сплошной среды во время взрыва.

Для физики процесса нет разницы, конденсировалась ли в облаке вода, раздавился ли камень или просто накачали газ в баллон под большим давлением. Главное – это критическое давление в некотором объеме. Но сначала давайте объясним откуда в плазме вокруг метеорита образовалось давление 3000 атм, которое раздавило его на молекулы. По сравнению со взрывом в миллиард атмосфер это не много, но в чистом небе 3000 атм это очень большое давление. Понять откуда появилось такое давление, поможет нам огненный шар из плазмы, который мы явно видим во время падения метеорита на видеозаписи.

За время падения метеорита произошло три фазовых перехода разрушения сплошной среды. Они настолько красивые и разные, и в тоже время одинаковые, как фазовые переходы, что не написать об этом просто нельзя. Эти фазовые переходы произошли как в момент входа метеорита в сплошную среду на высоте 95 км, так и в момент взрыва метеорита на высоте 25-30 км. Нам известны две точки, когда метеорит загорелся и когда его не стало. Осталось только соединить эти две точки и описать, что же произошло между этими событиями.

Первый фазовый переход разрушения сплошной среды произошел сразу, как только метеорит вошел в "плотные слои атмосферы" на отметке 95 км. В этот момент на экране видеорегистратора появилась светящаяся точка, так как образовалась высокотемпературная плазма.

Это был фазовый переход разрушения воздуха как сплошной среды – самый настоящий взрыв, такой же как при выстреле из рельсотрона.


Почему метеорит не разрушился и не разлетелся в разные стороны на отметке 95 км? Все дело в том, что на высоте 95 км практически нет воздуха. Плотность воздуха и давление на высоте 95 км в миллион раз меньше, чем на Земле. Вот такая неожиданная правда – в "плотных слоях атмосферы" почти нет воздуха. А нас в школе учили, что метеориты сгорают от трения. Как можно тереться о пустоту?

"Плотными слоями атмосферы" назвали только что образованную сплошную среду на высоте 95-100 км для оправдания версии о существовании трения. Это название повторяют нам как мантру или заклинание, и надо отдать должное, многие этому верят. Сплошная среда это состояние которое характеризуется общей скоростью, например. В этом ее отличие от разрозненного движения отдельных молекул.

Плазма на отметке 95 км появилась в результате критического ускорения сплошной среды, которое приводит к ее разрушению. Ведь сплошную среду легче разрушить там, где она только что образовалась. В этот момент возникают условия, такие же как при образовании молнии при критическом давлении в грозовом облаке, и появляется высокотемпературная плазма с температурой порядка 100 000 градусов.

В обычных условиях на Земле температуре плазмы в 100 000 градусов соответствует давление в 100 000 атм. Это соответствие следует из соотношения между температурой и давлением при ядерных взрывах.

Так как давление пропорционально плотности, то давление на отметке 95 км будет в миллион раз (на шесть нулей) меньше, чем при взрыве в нормальных условиях, и равно 0,1 атм. Поэтому хоть температура при разрушении сплошной среды на высоте 95 км достигала 100 000 градусов, давление "за бортом" метеорита было всего 0,1 атм. Молекулы воздуха выбивают молекулы с поверхности метеорита, и он "тает". Этот процесс называется абляция. Но самому метеориту этот процесс не может принести большого вреда при давлении 0,1 атм, так как число соударений мало. Это, как слону дробина.

Метеорит летит дальше, и по мере приближения к Земле растет плотность воздуха в атмосфере, а, следовательно, растет и давление "за бортом" у метеорита. Через две секунды на отметке 82 км давление в плазме вокруг метеорита было уже порядка 1 атм. Это давление как на Земле, метеорит тает, но летит дальше.

Через 7 секунд он был уже на отметке 50 км, где плотность воздуха в тысячу раз меньше, чем на Земле, и в тысячу раз больше, чем на отметке 95 км. Значит, по сравнению с высотой 95 км давление в плазме тоже выросло в тысячу раз. Поэтому на высоте 50 км давление в плазме вокруг метеорита уже порядка 100 атм. Это очень большое давление. Абляция при таком давлении идет так интенсивно, что небольшие метеориты испаряются без остатка, как правильно заметил академик В.Е. Фортов. Но сгорают они не от трения о воздух, а в результате испарения с поверхности в высокотемпературной плазме, которая образуется вокруг метеорита в результате перманентного взрыва, обусловленного разрушением воздуха как сплошной среды. Наивно описывать взрыв и высокотемпературную плазму трением о разреженный воздух.

Если сравнить плотность атмосферы на высоте 50 км с обычным воздухом, то это все равно, что сравнивать воздух и воду на Земле.

Так как челябинский метеорит был большой и не мог весь испариться за счет абляции, то рано или поздно наступает момент, когда давление, которое образуется в оболочке из высокотемпературной плазмы, раздавит камень, даже если он состоит весь из железа или гранита. Плазма, как клещи, сжимает метеорит, и чем ближе метеорит к Земле, тем сильнее это сжатие. На отметке 30 км плотность воздуха всего в сто раз меньше обычной плотности воздуха на Земле, но при этом она в десять тысяч раз больше плотности воздуха на отметке 95 км. Поэтому давление в коконе из плазмы на высоте 30 км – 1000 атмосфер, это предельное давление, которое выдерживает хондрит, и на высоте 28 км он разрушился, когда давление в коконе из плазмы достигло 3000 атм.

Процесс разрушения метеорита зафиксирован на записи видеорегистраторов. На записи видно как светящийся шар мигнул на мгновение на десятой секунде. В этот момент произошел второй фазовый переход – разрушение метеорита, как сплошной среды. Этот переход произошел с поглощением энергии высокотемпературной плазмы, поэтому свет от плазмы на мгновенье уменьшился. Под давлением 3000 атм сначала хондрит рассыпался на части и превратился в подобие песка, а потом и песчинки его были раздавлены высокотемпературной плазмой, так как она действует везде, и от нее нельзя спрятаться.

По оценкам экспертов, только сотые доли процента челябинского метеорита упали на Землю. Это те осколки, которым удалось вырваться из "огненного плена". В результате разрушения метеорита на молекулы образовалось "каменное облако".

"Каменное облако" сродни грозовому облаку, которое образуется в результате конденсации паров воды. Но при этом избыточное давление в грозовом облаке порядка 0,1 атм, а в "каменном облаке" – 3000 атм. Правда, размеры "каменного облака", к счастью, были меньше, чем у грозового облака. Скорее всего, об этом разрушении метеорита говорил В.Е. Фортов, когда рассказывал про рост давления перед метеоритом. Только давление 3000 атм, при котором разрушается хондрит, не может возникнуть в результате сжатия или сопротивления воздуха как сплошной среды.

Не может камень сжать небо. Ведь он движется не в цилиндре, как поршень, а в разреженном воздухе в открытом пространстве.

Плотность воздуха и давление, где разрушился челябинский метеорит, в сто раз меньше, чем на Земле. При падении метеорита давление действительно растет по экспоненте в связи с естественным ростом давления в атмосфере – от одной миллионной до одной сотой атмосферы. Давление, которое возникает при сопротивлении воздуха, может вырасти максимум до одной атмосферы. От такого давления метеорит не может разрушится. А в высокотемпературной плазме с температурой до 100 000 градусов возникает давление в тысячи атмосфер, которое, действительно, разрушило метеорит.

Но вернемся к нашему метеориту. После того, как его раздавила плазма в своих объятиях на отметке 28 км, она еще крепче сжала метеорит или то, что от него осталось, и через 4 секунды он должен был приземлиться в Челябинске. Но до Челябинска он не долетел. Почему? Метеорит взорвался, но не как камень, камни не взрываются, а как облако с огромным давлением. При этом сейсмические датчики зафиксировали давление в миллиард атмосфер, соответствующее взрыву 500 тысяч тонн в тротиловом эквиваленте.

Даже если допустить, что плазма вокруг метеорита ослабила свою хватку и он рассыпался под давлением 3000 атм, то жители Челябинска просто любовался бы красивым зрелищем типа фейерверка. Однако, физики даже сейчас вслух боятся произнести цифру миллиард атмосфер в небе над Челябинском, потому что просто не понимают, как это можно объяснить "трением" или сжатием разреженного воздуха.

Ведь если бы метеорит весь состоял из тротила, то такого давления все равно не получилось бы.

Очевидно, что после образования "каменного облака" оно взорвалось уже по законам взрыва грозового облака или баллона с газом. Для взрыва облака диаметром 15 метров достаточно 15 атмосфер, а в "каменном облаке" было 3000 атм. Вот оно и рвануло по всем законам жанра. Оценить возникающее при взрыве давление можно так же, как мы до сих пор вычисляли давление в плазме вокруг метеорита в связи с приближением его к Земле.

Давайте посчитаем, во сколько раз увеличилось давление, которое возникло на поверхности метеорита при образовании "каменного облака". До разрушения метеорита плотность в плазме была такая же, как и плотность атмосферы. На отметке 30 км она в сто раз меньше, чем на Земле. После образования "каменного облака" плотность в плазме на поверхности метеорита стала такая же, как и плотность хондрита – 7000 кг/м3. Следовательно, плотность изменилась почти в миллион раз. Значит, и давление увеличилось почти в миллион раз, по сравнению с 3000 атм, и стало соответствовать давлению в миллиард атмосфер (здесь важен порядок цифр, а не конкретное число).

Этот расчет, конечно, эвристический. Он не учитывает массу метеорита. В реальности происходит перераспределение энергии и только часть молекул ускоряется. Очевидно, что не может одновременно увеличиться давление во всем "каменном облаке" в миллион раз, так как суммарная энергия "каменного облака" сохраняется. Просто с помощью сильного взаимодействия практически мгновенно перераспределяется кинетическая энергия молекул. Но не как на бильярде, когда после удара кинетическая энергия переходит от одного шара к другому, и при этом импульс у неподвижного шара не может быть больше, чем у битка. Сильное взаимодействие изменяет импульс молекул по экспоненте, как при взрыве.

Только часть молекул ускоряется по экспоненте и увеличивается их кинетическая энергия за счет уменьшения давления в "каменном облаке". Грубо говоря, каждый миллион молекул "каменного облака" передает свою кинетическую энергию одной молекуле путем действия центрально-симметричной напряженности сильного взаимодействия. Здесь процесс передачи энергии такой же как и во время молнии. Энергия грозового облака переходит в энергию молнии, при этом давление в грозовом облаке падает.

Законы сильного взаимодействия так действует всегда, этим они отличаются от передачи энергии от одной молекулы к другой путем столкновений в молекулярно-кинетической теории.

Сравнение взрыва "каменного облака" с взрывом баллона с газом наиболее правильное. Ведь если бы газ постепенно вышел из баллона под большим давлением, то никаких разрушений не было бы. Но когда он (газ) выходит мгновенно в виде взрыва, давление возрастает значительно больше, чем давление, которое было в баллоне с газом. При этом не имеет значения, какой газ в баллоне или из каких частиц состоит облако. Для мощности взрыва имеет значение размер метеорита, а точнее масса "каменного облака". Чем больше масса, тем сильнее взрыв, потому что большее количество молекул можно ускорить, и таким образом создать давление в миллиард атмосфер.


Кинетическая энергия метеорита, конечно, имеет значение, но если бы он просто сгорел, его энергия не привела бы к таким разрушениям. Кинетическая энергия челябинского метеорита не больше энергии обычного среднего дождя. Главное при взрыве – это проявление силы (сильного взаимодействия), которая обусловлена критическим давлением в некотором объеме. Просто сильное взаимодействие еще плохо изучено, поэтому его воздействие измеряют тротиловым эквивалентом, а не центрально-симметричной силой – аналогом силы Кулона.

Таким образом:
1. Челябинский метеорит загорелся на отметке 95 км и вокруг него образовался кокон из плазмы с температурой 100 тысяч градусов и давлением 0,1 атм.
2. За 10 секунд падения метеорита с 95 км до 30 км давление в коконе из плазмы выросло с 0,1 атм до 1000 атм, в связи с естественным увеличением плотности воздуха в атмосфере, с одной миллионной до одной сотой кг/м3.
3. На высоте 28 км при давлении 3000 атм метеорит разрушился и превратился в "каменное облако".
4. На отметке 25-26 км "каменное облако" взорвалось от избыточного давления в воздухе. При этом давление выросло почти в миллион раз – до миллиарда атмосфер.

При описании взрыва "каменного облака" мы, по сути дела, разобрали взрыв "по молекулам". Поэтому теперь можно попытаться решить обратную задачу и показать, как при взрыве тротила или при ядерном взрыве возникает критическое давление, которое приводит к фазовому переходу и ускорению молекул по экспоненте. Но эта работа уже не имеет отношения к взрыву челябинского метеорита. Так как при взрыве челябинского метеорита не осуществлялась ни химическая, ни ядерная реакция, а был "чистый взрыв" – переход кинетической энергии от целого камня к его молекулам.

Возможно, что представленное здесь описание взрыва "каменного облака" прольет свет и на взрыв звезд. Потому что звезда также может быть раздавлена оболочкой из высокотемпературной плазмы, которая ее окружает, и тогда в ней резко увеличится давление и она взорвется.

По материалам исследований физика Александра Брагинского.

комментарии