Температура метеоров

[Дмитрий Чулков]

      Собственно вопрос состоит в том, до какой температуры нагреваются метеоры при входе в земную атмосферу? Понятно, что эта величина сильно зависит от скорости, угла к горизонту и массы тела, но хотелось бы узнать хотя бы порядок величины, 100С, 1000C? И какой процент кинетической энергии переходит в тепло?

[Net]

Вот по разным ссылкам указываются некоторые цифры.

"Метеоpные тела с массой менее 10^-9 гpамм тоpмозятся на высоте 110-130 км, не успев нагpеться до темпеpатуpы начала интенсивного испаpения, и выпадают на Землю в виде микpометеоpитов.
Метеоpные тела с массой более упомянутой пpоникают глубже в атмосфеpу, pазогpеваются до высоких темпеpатуp (повеpхностный слой до 10000К) и полностью исчезают (pаспыляются, испаpяются)."


"При движении в атмосфере впереди метеорного тела образуется ударная волна внутри которой температура достигает порядка 10-100 тысяч градусов."


В целом, порядок числа понятен

На Астронете еще хорошая статья http://www.astronet.ru/db/msg/1198013/06.html, правда там про температуру не нашел.

 

[Ernest]

какой процент кинетической энергии переходит в тепло?

Это зависит от массы. Очевидно, что мелочь сгорает переводя в тепло почти 100% своей механической энергии. А вот крупные тела просто не заметят атмосферы и встретятся с земной поверхностью практически не затормозившись. Правда от перехода большей частью в тепло им не уйти - но уже не от трения об атмосферу, а при ударе о поверхность.

[Дмитрий Чулков]

Спасибо, Net и Эрнест. 10000К!  Я даже предположить не мог...

Очевидно, что мелочь сгорает переводя в тепло почти 100% своей механической энергии.

Интересна именно мелочь, которая полностью сгорает в атмосфере. У неё же часть энергии уходит на излучение. Хотя излучение это и есть форма теплопередачи. Поэтому, наверное лучше задать вопрос так, какая часть энергии высвечивается именно в видимом диапазоне? И какая в радио?

[Pluto]

Интересна именно мелочь, которая полностью сгорает в атмосфере. У неё же часть энергии уходит на излучение. Хотя излучение это и есть форма теплопередачи. Поэтому, наверное лучше задать вопрос так, какая часть энергии высвечивается именно в видимом диапазоне? И какая в радио?

Полагаю, что в видимое излучение переходит очень малое количество энергии. Например, КПД обычной лампочки накаливания менее 3 процентов. В радиодиапазоне яркость метеоров еще меньше, т.к. максимум излучения приходится на видимый диапазон.
Если Вы намекаете на радионаблюдения метеоров, то они проводятся не по фиксации радиоизлучения от метеоров, а на отражении радиоизлучения сторонних источников (радиовещательных станций, например) от ионизированного следа в атмосфере.

[AAV]

http://www.astronet.ru/db/msg/1198013/04.html   ПОЛЁТ МЕТЕОРОВ В ЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЕ
Начальная кинетическая энергия расходуется на нагревание, свечение и ионизацию примерно в отношении 10⁶ :10⁴ :1.

[Pluto]

http://www.astronet.ru/db/msg/1198013/04.html   ПОЛЁТ МЕТЕОРОВ В ЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЕ
Начальная кинетическая энергия расходуется на нагревание, свечение и ионизацию примерно в отношении 10⁶ :10⁴ :1.

Т.е., как я и полагал, на свечение идут единицы процентов общей энергии. 

[Дмитрий Чулков]

Вот здесь http://www.phys.unsw.edu.au/~jw/meteor.html приводиться оценка, что 99,9% кинетической энергии уходит в излучение (остальная уходит на кипение и ионизацию; если я правильно перевёл, конечно).

Я вот ещё о чём подумал. Предположим, что крошечный кусочек метеора всё же выживет после полёта в атмосфере Земли и мягонько (со скоростью свободного падения   ) рухнет на лужайку. Практика показывает, что пожара после этого не возникает, то есть температура гостя с небес не превышает сотни градусов цельсия... Видимо успевает остыть, да при полёте в нижних слоях атмосферы скорость, а значит и температура нагрева уже не та...

http://www.astronet.ru/db/msg/1198013/04.html   ПОЛЁТ МЕТЕОРОВ В ЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЕ

Спасибо, AAV, видел я эту книгу. Очень уж смущает год издания, полвека минуло...

[Stepa]

Насчет массы...
Давайте прикинем...

Сила вязкого трения пропорциональна v^2, а именно:

dv / dt = - a v^2

a = alpha * rho * S / 2  --- (alpha - аэродинамический коэффициент, rho - плотность газа, S - площадь поперечного сечения)

v(t) = v0 / (a*v0*t + 1)

dK = m v dv
W =dK / dt = m v (dv / dt) - убыль кинетической энергии за счет трения.

W = m a v0 ^3 / (1 + a * v0 * t) ^3 =1/2 *  alpha * rho * S * v0 ^3 / ( alpha * rho * S / (2m)  * v0 *t +1) ^3 ~ m^3

Т.е. они растут как куб массы тела.

Если я правильно помню (надо будет посчитать), крупное железное тело в 100 000 т  испаряется, не достигая Земли.

[Ernest]

крупное железное тело в 100 000 т  испаряется, не достигая Земли

Сомнительно. Куски спутников постоянно валятся на голову обывателям, а ведь это обычно далеко не куски железа (в плане сопротивления сгоранию) и уж точно менее 100 000 т.

[Pluto]

Здесь еще много зависит от начальной скорости и угла входа в атмосферу.

[Дмитрий Чулков]

Сомнительно. Куски спутников постоянно валятся на голову обывателям, а ведь это обычно далеко не куски железа (в плане сопротивления сгоранию) и уж точно менее 100 000 т.

Да уж. Знаменитый аризонский кратер весил всего в 3 раза больше, однако достиг Земли, да ещё как! Другое дело, что он испарился от удара о поверхность.
http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D1%80%D0%B8%D0%B7%D0%BE%D0%BD%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D0%BA%D1%80%D0%B0%D1%82%D0%B5%D1%80
Stepa, спасибо за математические выкладки...

[Stepa]

Так их масса невелика - невелики и потери энергии. Они успевают за счет абляции погасить свою кинетическую энергию, и остаться в каком-то смысле целыми.
У огромного куска железа такого шанса просто нет.

P.S. Если это кусок спутника, так там алюминиево-магниевый сплав.
P.P.S. Надо дополнить расчет уравнением теплопроводности...

[Ernest]

Они успевают за счет абляции погасить свою кинетическую энергию, и остаться в каком-то смысле целыми.

Это при том, что входят они в атмосферу по весьма пологой траектории и долго кувыркаются в атмосфере, в то время как метеорное тело обычно пронзает атмосферу под крутыми углами атаки, сокращая путь до выпадения на поверхность.
 

У огромного куска железа такого шанса просто нет.

Не знаю... Железка пролетит плотные слои атмосферы за секунду-две. Если считать, то надо учесть удельную теплоту нагрева и плавления.

P.S. Если это кусок спутника, так там алюминиево-магниевый сплав. P.P.S. Надо дополнить расчет уравнением теплопроводности...

Ну там ведь не сплошная болванка - а довольно тонкая оболочка (часто и без нее вовсе) с электронно-механической начинкой.

[lebevad]

В Аванте+ написано, что метеориты падают холодненькими...

[AstroNick]

Знаменитый аризонский кратер весил всего в 3 раза больше, однако достиг Земли, да ещё как! Другое дело, что он испарился от удара о поверхность.

А вот испарился ли? Я где-то читал, что первые попытки добуриться до метеорита действительно оказались безуспешными (Барринджер?), однако позднее по форме кратера поняли, что метеорит летел под углом к горизонту, и потому должен быть не в центре кратера, а немного в стороне (под одним из валов). И вроде бы провели пробное бурение, которое действительно показало наличие очень твёрдого тела в ожидаемом месте, которое и сочли искомым метеоритом. Однако оно оказалось намного глубже, чем ожидалось, поэтому больше ничего предпринимать не стали (не выгодно).

[Ernest]

В Аванте+ написано, что метеориты падают холодненькими...

Да, совершенно верно. Через несколько минут после падения то, что долетело имеет температуру космоса. А вот то, что испарилось с его поверхности, пока он падал - те самые тысячи градусов. Пока он падает (секунды) поверхностный слой просто не успевает нагреть внутренность (особенно это касается каменных метеоритов).

[Михаил Никитин]

Насчет испарения метеорита, создавшего Аризонский кратер, Кринов Е.Л. в книге "Вестники вселенной", 1964 г, пишет, что собрано порядка 30 т осколков, а в почве лежит их порядка 10 тыс. т, остальное испарилось. Версия с нахождением метеорита в грунте была признана автором не соответствующей современным взглядам.

[Дмитрий Чулков]

Да, признаю свою ошибку, при ударе о землю метеорит испарился далеко не полностью. Перечитал внимательнее статью в Википедии и увидел, что собрано 640 кг крупных обломков.

Я вот в прошлом году на одной лекции слышал, что мелкая пыль при вхождение в земную атмосферу нагревается всего до 100-200 градусов Цельсия. Данный факт автор интерпретировал в том плане, что жизнь вполне может быть (или могла быть...) занесена на Землю именно на микрометеоритах, а не на более крупных телах. Вообще интересная зависимость получается. Самые маленькие тела испытывают относительно небольшой ногрев в атмосфере, соотвественно они могут долететь до поверхности. При увеличении размера метеора он нагревается сильнее, и уже полностью сгорит в атмосфере. Ну а если мы ещё сильнее увеличим размеры, то астероид врежеться в Землю с космической скоростью и почти не потеряет ни массы, ни скорости.
Всем спасибо! 

[AstroNick]

Насчет испарения метеорита, создавшего Аризонский кратер, Кринов Е.Л. в книге "Вестники вселенной", 1964 г, пишет, что собрано порядка 30 т осколков, а в почве лежит их порядка 10 тыс. т, остальное испарилось. Версия с нахождением метеорита в грунте была признана автором не соответствующей современным взглядам.

Значит, и мои взгляды малость устарели  Ну да ладно.

... Вообще интересная зависимость получается. Самые маленькие тела испытывают относительно небольшой ногрев в атмосфере, соотвественно они могут долететь до поверхности. При увеличении размера метеора он нагревается сильнее, и уже полностью сгорит в атмосфере. Ну а если мы ещё сильнее увеличим размеры, то астероид врежеться в Землю с космической скоростью и почти не потеряет ни массы, ни скорости.

Да, собственно, чистая физика. Кинетическая энергия пропорциональна массе, т.е. кубу линейного размера тела, а сопротивление - площади его сечения, т.е. квадрату. Увеличим размер вдвое - сопротивление атмосферы возрастёт в 4 раза, а масса - в 8 раз. Поэтому чем крупнее тело, тем меньше кинетической энергии оно тратит на торможение (если смотреть на одной и той же высоте), и тем с большей скоростью входит в более плотные слои атмосферы (и тем больше разогревается). Только в описанной картине есть и промежуточная стадия - когда тело достаточно велико, чтобы погореть, но не сгореть в атмосфере полностью, но не настолько велико, чтобы сохранить космическую скорость при ударе о земную поверхность. В этом случае торможение в атмосфере сделает своё дело, и на высоте нескольких десятков километров метеорит замедлится настолько, что перестанет гореть, а далее просто перейдёт в режим свободного падения, быстро остывая за счёт своего внутреннего холода. Вот потому он и падает на землю горячим, тёплым или холодным. Вроде бы всё логично.