Метеоры – это явления, которые своей загадочностью всегда привлекали человека. Метеорное вещество постоянно поступает в атмосферу Земли. В день на Землю выпадает около 100 тонн космической пыли (а на ранней Земле это число было в разы больше). Сравнительно небольшие метеорные тела сгорают на высотах 80–120 км, более крупные могут проникать в глубокие слои атмосферы и достигать поверхности Земли.
Метеоры входят в атмосферу Земли со скоростями 11.2–72.1 км/с. Нижний предел определяется второй космической скоростью (найденной из баланса энергий – сумма кинетической энергии космического тела и энергии гравитационного притяжения Земли равны нулю) и скорости, равняющейся сумме орбитального движения Земли (29,8 км/с) и третьей космической скорости, которую необходимо сообщить телу на Земле, чтобы оно навсегда покинуло пределы Солнечной системы (на расстоянии Земли величина этой параболической скорость составляет 42,2 км/с).
Чем же так привлекательны метеоры? Помимо внезапности своего появления и возникновения узкой полосы светящегося следа (либо широкого газо-пылевого следа в случае крупных метеорных тел), метеоры также звучат. Кроме обычных звуковых явлений, производимых от ударной волны метеороида и идущих с задержкой относительно его полета. Cкорость света, определяющая видимое свечение метеороида в 10^6 раз превышает скорость звука и получается, что c высоты 100 км звуковая волна от метеора идет 5 минут, в то время как свет до нас доходит практически мгновенно. Обычная звуковая волна от метеороида возникает в результате колебаний плотности воздуха из-за его сжатия в результате образования ударной волны. Звуковая волна является продольной волной.
Cуществуют удивительные явления, называемые электрофонными звуками, слышимые одновременно с пролетом метеороидов. Такие аномальные звуки, очевидно, связаны с электромагнитными явлениями (так как скорость их распространения должна быть равна скорости света, потому что метеор регистрируется по свечению). Электрофонные явления впервые были задетектированы в 1794 году. Однако, такие явления наблюдаются не для всех метеорных тел. Разберемся, почему же это происходит.
Следует сразу ввести несколько важных понятий, связанных с метеорами, чтобы избежать путаницы.
Метеороид (или метеорное тело) – это тело, летящее в атмосфере или вне ее.
Метеорит – это упавшее на Землю метеорное тело.
Метеор – это явление, которое представляет собой свечение паров метеороида.
Метеорный след – это след, остающийся в атмосфере после пролета метеороида. Болид – это яркий метеор c яркостью выше яркости Венеры. Непосредственно за самим метеорным следом тянется так называемый метеорный хвост. О различных типах следов и хвостов метеороидов мы поговорим позднее.
При достижении метеорным телом определенной высоты в атмосфере, на которой происходит его дробление и сгорание, наблюдатели могут слышать различные звуки, такие как свист, треск, шипение, гул. Они могут описываться не одним, а несколькими физическими механизмами. До сих пор не предложено однозначного объяснения возникновения электрофонных звуков, однако, выдвигаются различные гипотезы и строятся модели.
И.С. Астапович создал каталог наблюдений электрофонных шумов 1929 году. Из каталога видно, что звуковые эффекты одновременно с пролетом ярких метеороидов наблюдались как в дневное время, так и в ночное, и независимо от времени суток наблюдатели слышали различные звуки – свист, шипение, жужжание, звуки, похожие на рев самолета. Отсюда можно сделать вывод, что генерируемые метеороидом частоты лежат в достаточно широком диапазоне слышимых человеческим ухом частот и что эти эффекты не зависят от варьирования параметров Земной ионосферы из-за смены дня и ночи и отсутствия или присутствия солнечного излучения. Значит эффекты, связанные с метеороидами имеют гораздо большую интенсивность, нежели солнечное излучение. Также из карты наблюдений и регистрации звуков очевидцами для различных метеорных тел видно, что наблюдатели, зарегистрировавшие звуки, находились в ореоле распространения сферической волны от метеороида.
Из наиболее ярких и емких первых регистраций шумов электрофонных метеороидов можно привести магнитофонную запись жительницы Северной Исландии, которая решила записать пение птиц как раз во время падения метеорита Боведи-Спрюсфилд в 1969 году. С записи учеными была сделана осциллограмма, которая показала частоты от метеороида в диапазоне 200–400 Гц, длительность отдельных звуковых импульсов 0.01–0.11 с, а общая продолжительность звуков 5.5 с или дольше.
Были проведены эксперименты по регистрации инфразвуковых волн канадскими учеными в 1974 году. Регистрировались волны от ярких метеоров на частотах 0.2–5 Гц. Вскоре им удалось записать и звуки от метеоров.
В настоящее время у человечества имеется гораздо больший арсенал средств, которые могут регистрировать пролеты метеоров, такие, как фото, аудио и видео съемка. Например, в случае Челябинского события в 2013 году, видеорегистраторы множества водителей зафиксировали шипения при пролете метеороида.
Ничего так не бодрит, как с утра метеорит…
Проводились и проводятся эксперименты по электрофонным шумам и их регистрации, однако, все еще не приводилось достаточно однозначного обоснования природы их происхождения и не построена единая теория, объясняющая эти явления.
К возможным теориям происхождения электрофонных звуков от пролетов метеороидов относятся (в начале приводятся более ранние теории, чтобы осознать ход мысли ученых в этом исследовании):
1) Электростатическое происхождение звуков. Однако для возникновения достаточной величины коронирующего отрицательного заряда на уровне почвы необходим положительный заряд в атмосфере, равный заряду всей Е-области ионосферы (область, которая расположена на высотах 90–120 км) [1]. Коронирующий разряд – это газовый разряд, который возникает при высокой напряженности электрического поля в случае, когда поле неоднородного. Предполагается, что индуцированные отрицательные заряды, возникшие на земных предметах при мгновенном скачке геопотенциала до 15 кЭв и выше стекают с них. Это объясняет помимо звуков появление огней Эльма (кистеобразных разрядов на концах острых предметов), шаровых молний и запаха озона при пролете ярких болидов.
2) Ударная волна с метеороидом принимается за одну пластину конденсатора, а Земля – за другую. Колебания потенциала между пластинами приводят к возникновению шума, происхождение которого остается неясным.
3) Звуки, слышимые от высокочастотного передатчика и преобразуюшиеся в ушной раковине как звуковые волны.
4) Турбулизация хвоста и вытеснение геомагнитного поля из хвоста метеороида. Состояние турбулентности характеризуется тем, что начинают превуалировать нелинейные эффекты, в том числе в системе будут возбуждаться нелинейные волны большой амплитуды Теоретически построенная теория Бронштэна [2] основывается на экспериментах Кея [3]. Турбулентные вихри при определенных условиях могут закручивать силовые линии геомагнитного поля и поле в следе резко возрастает. Спустя некоторое время оно разрушается, отдавая энергию пространству, в частности, и в виде радиоволн. Для ярких болидов такие потери энергии на превращение в радиоволны оказываются достаточными для создания звуковых явлений у поверхности. Кеем был предложен механизм преобразования радиоволн в диапазоне нескольких кГц в звуковые волны посредством приемников у поверхности Земли. Возможность этого подтверждают проводимые им эксперименты, в которых он усаживал испытуемых в звукоизолированном помещении и подвергал воздействию переменного электрического поля с напряженностью 130 В/м и звуковой частотой несколько килогерц. Те испытуемые, которые имели очки в металлической оправе или длинные волосы, слышали звуки. Дужки очков и волосы в данном случае являлись антеннами, которые детектировали электромагнитные колебания и вместе с ушной раковиной превращали их в слышимые человеческим ухом звуковые волны.
Сейчас есть и другие механизмы по объяснению преобразования радиоволн в звуковые волны у поверхности Земли. Например, в статье [4] предполагалось, что сильно модулированный свет высокой интенсивности на этих частотах может создавать звуки через нагрев излучением поверхностей таких диэлектрических материалов как волосы, одежда и листья. Расчеты показали, что метеор со звездной величиной –12 может порождать слышимый звук с силой 25 Дб (что соответствует уровню громкости шепота на расстоянии 1 м).
Эти механизмы по преобразованию электромагнитных волн от метеороидов в звуковые принимаются во внимание и в других моделях, описывающих появление электрофонных звуков (пункты 8 и 10).
5) Излучение волн на частотах самой плазмы. Однако подробное рассмотрение данного механизма не было проведено.
6) Механизм пробоя: метеорный след рассматривается как эллипсоид, который находится во внешнем электрическом поле Земли.
7) Вытеснение дипольного момента Земли: сильная вытянутость метеорного следа может привести к значительным возмущениям постоянного электрического и магнитного полей Земли.
8) Механизм преобразования модулированного электромагнитного сигнала от метеороида в звуковые волны, в котором предполагается, что метеор ионизует атмосферный воздух и генерирует электромагнитные волны в радиодиапазоне порядка десятков и сотен МГц, модулированные в слышимом диапазоне частот (20–20000 Гц). Для того, чтобы наблюдатели воспринимали данные сигналы как звуковые волны, необходим приемник, который проводит электричество лучше в одном направлении, чем в противоположном, и способен вибрировать (возможно, резонировать) на звуковых частотах.
9) Механизм, объясняющий модуляцию электромагнитных волн. Показано влияние пылевых частиц в хвосте метеороида на данные процессы. А именно, возникающие низкочастотные пылевые звуковые колебания модулируют исходную волну. У Земли эта модулированная электромагнитная волна может преобразовываться в звуковую посредством приемников и других упомянутых выше механизмов.
Однако, механизмы генерации радиоволн от метеоров также остаются неясными, хотя их регистрация не подвергается сомнению и мы точно знаем, что метеоры кроме излучения в видимом диапазоне излучают в радио диапазоне. Загадочные явления метеоров продолжают хранить тайны.
Эксперименты по регистрации шумов от пролета метеорных тел активно проводятся в настоящее время. Были зарегистрированы аномальные «шипящие» и «свистяшие» звуки, сопровождающих прохождение крупных болидов на частотах от нескольких Гц до нескольких кГц, а также звуки во время метеорных потоков Леониды с максимумами частот 250 Гц. Было проведено детектирование низкочастотных электромагнитных колебаний от метеороидов на схожих частотах: 0.1 Гц–12 кГц с усилением на 10–300 Гц.
Во время падения метеорного тела в Чехии 9 декабря 2014 года люди, находившиеся в разных локациях, слышали звуки одновременно с пролётом метеорного тела, без задержки, при этом зафиксированная частота колебаний была ниже 100 Гц.
В случае челябинского события 15 февраля 2013 года, когда в атмосферу Земли вошел астероид с предположительной массой 10 тысяч тонн, наблюдатели слышали шипение и треск. В ноябре 2017 в Японии пролетел сверхяркий болид, масса которого оказалась сильно меньше, чем при падении Челябинского метеорита. В этом случае очевидцы тоже слышали громкий треск.
Ранее в наблюдениях отмечалось, что звучат только яркие метеоры. Однако, данные по регистрации колебаний от метеорных потоков, таких, как Леониды, показали, что они также порождают шумы на низких частотах порядка 10–300 Гц. Наличие или отсутствие электрофонных звуков зависит от множества факторов, таких, как параметры хвоста метеороида и самого метеорного тела, наличие приемников радиоволн и, возможно, других еще неизученных вопросов.
Помимо звуковых явлений, связанных с пролетом метеорных тел, метеороидные следы отражают радиоволны (появляется так называемое радиоэхо), а перед метеорным телом часто появляется головное эхо. На регистрации отраженных радиоволн построен метод радиолокационного поиска метеоров.
Свечение метеора тоже не так обыденно. Спектроскопическими методами можно наблюдать полосы различных металлов метеорного вещества (Na, Ma, Ca, Al, Fe, Ni и других), а также атмосферных молекул. Свечение метеора происходит в результате возбуждения атомов, молекул и ионов при их соударениях (то есть изменении их электронной оболочки и увеличении энергии). Когда возбужденный атом переходит на нормальный уровень, он испускает свет. Интересно, что в спектре метеора можно наблюдать зеленую линию атома кислорода, как у северных сияний, однако красной линии не наблюдается. Зеленое свечение также сопровождает появление головного эха.
Попробуем разобраться, почему это происходит. Введем еще несколько понятий.
Метеороидные следы бывают нескольких типов в зависимости от линейной электронной плотности. В результате метеорной ионизации, когда испарившиеся молекулы метеорного вещества, диссоциированные на атомы, на больших скоростях сталкиваются с атмосферными атомами и молекулами, образуется электронно-ионный след. Испарившиеся молекулы имеют примерно ту же скорость, что и метеорное тело, или меньше и могут испытывать столкновения в хвосте метеороида. То есть метеорное тело улетает, оставляя за собой ионизованные атомы, электроны, а также возбужденные атомы, которые дают свечение метеора. Энергия столкновения метеорного тела с частицами воздуха зависит от скорости метеорных тел и колеблется от 16.6 до 1675 эВ (1 эВ= 1.6*10^{-19 Дж}) для характерных скоростей метеороидов. Также в процессах образования ионно-электронного следа участвуют термоионная и термоэлектронная эмиссии с поверхности метеорного тела. В этом следе также могут присутствовать пылевые частицы раздробленного метеорного вещества, застывшие капли расплавленной пленки метеорного тела и конденсированные пары метероида. Пылевые частицы в метеорном следе приобретают заряды из-за воздействия на них различных токов (токов окружающих электронов и ионов, а также эмиссионных токов). Такая плазма метеороидного хвоста считается квазинейтральной (то есть концентрация положительно заряженных частиц равна концентрации отрицательно заряженных для однозарядных частиц).
Ненасыщенными называются следы с электронной плотностью меньше 10^{12} электрон/см пути метеора. В этом случае каждый электрон отражает падающую на него волну сам по себе и след оказывается прозрачен для радиоволн.
Переходными считаются следы с плотностью порядка 10^{12} электрон/см.
Насыщенными называются следы с электронной плотностью больше 1012 электрон/см. В этом случае электроны ведут себя как единое целое, подобно сплошной металлической поверхности. Насыщенные следы отражают радиоволны и образуют радиоэхо метеора.
Полная концентрация электронов и ионов в следе убывает с расстоянием от метеорного тела и к периферии следа.
Температура электронов за фронтом ударной волны для типового метеороида составляет 30 000 К, однако, может варьироваться от 20 000 до 200 000 К в зависимости от высоты, размера и скорости метеороида. Она спадает со временем по степенному закону T~t^{1/2} в результате быстрого охлаждения электронов следа.
Зеленое свечение происходит в результате перехода с метастабильного уровня (1S0) атома киcлорода. Метастабильным он называется потому, что электрон удерживается на нем достаточно долго – 0.75 секунды. Эта линия наблюдается на высотах 75–120 км, где плотность воздуха мала и атом успевает продержаться без столкновений с другими атомами в течении этого времени. Зеленое свечение также наблюдается во время северных сияний. Но в отличие от них, в следах метеороидов не наблюдается красной запрещенной линии, которая относится к состоянию 1D кислорода, так как его время жизни гораздо дольше – 110 секунд и в плазме хвоста метеороида так долго этот уровень продержатся не может [2].
В слое взаимодействия перед метеорным телом, где встречаются испарившиеся, отраженные и набегающие молекулы и атомы, происходит их возбуждение, которое создает головное эхо метеора. Также в этом слое в результате рекомбинации атомов кислорода с электронами происходит возбуждение уровня 1S0 атома кислорода и появляется зеленое свечение, что подтверждается наблюдениями.
Взаимодействие молекул воздуха с метеороидами, летящим со скоростями 11–72 км/сек приводит к тому, что вокруг метеороида образуется ударная волна, высокое давление и температура, вещество метеороида начинает дробиться, плавиться и испаряться. Ударная волна является разрывом в гиродинамических параметрах – плотности, давлении и температуре.
Абляция – это процесс потери массы метеороидом в результате испарения, плавления и сдувания пленки расплава и дробления. До сих пор остается открытым вопрос, какой из механизмов абляции является лидирующим для метеорных тел. Скорее всего, это зависит от параметров метеороидов (материала, скорости, размеров) и проявляется по-разному. При столкновении метеорных тел с набегающими атомами и молекулами воздуха может происходить испарение отдельных атомов и молекул метеорного вещества, в то время как плавление еще не происходит. Для столкновений важным оказывается импульс метеорного тела, так что для малых тел испарение не будет играть большую роль. В результате того, что испарившиеся атомы метеорных тел сталкиваются с молекулами воздуха, может происходить их возбуждение (приводящее к свечению) и ионизация, о которых мы упоминали ранее. То есть, это процессы, следующие за абляцией.
Микрометеороиды с размерами до 5 мкм (для каменных тел) и с размерами до 2 мкм (для железных тел) не успевают нагреваться в атмосфере до температуры плавления и проходят ее практически беспрепятственно.
Массы наблюдаемых метеорных тел лежат в широком диапазоне величин – от 10^{-7} г до 10^7 г. Например, для метеорных потоков, таких как Персеиды, Леониды, Ореониды, Дракониды, характерные размеры метеоров невелики – от долей грамма до нескольких грамм. Однако, отдельные метеоры имеют достаточно большую массу.
Метеорные потоки можно наблюдать невооруженным глазом. В ясную ночь августа (Персеиды), октября (Дракониды, Ориониды) или ноября (Ориониды, Леониды) на небе можно заметить светящиеся следы, которые оставляют падающие тела. Обычно эти следы видны доли секунды, но для сравнительно крупных метеорных тел могут держаться и дольше.
Метеорные потоки представляют собой падающие части раздробленной кометы и возникают, когда Земля пересекает орбиту кометы, на которой та оставляет свои фрагменты. Усиленные потоки наблюдаются в том случае, когда комета сравнительно недавно проходила по своей орбите через место ее пересечения с Землей.
Поговорим более подробно о метеорных следах. Метеорные следы бывают пыле-газовые и ионизованные. Пылевые следы образуются только яркими болидами на высоте 25–80 км в результате конденсации паров метеорного вещества в головной части и хвосте метеороида и затвердевания конденсированного вещества. Таким образом, след включает в себя пылевые частицы размерами меньше 10^{-4} см, жидкие капли метеорного вещества и газы. В сумерки они светятся вследствие рассеяния солнечного света в основном на пылевых частицах. Пылевые метеорные следы могут наблюдаться очень долго – до нескольких часов.
Ионизованные метеорные следы наблюдаются от долей секунды до нескольких минут (в зависимости от массы метеорного тела и яркости метеора). Они также могут включать в себя пылевые частицы, образуемые в результате дробления главного метеорного тела. Ионизованный след отражает радиоволны метрового и декаметрового диапазона. Метеорная ионизация наиболее интенсивна на высотах 80–120 км. Пылевой след метеороида также называется в литературе как хвост метеороида (wake).
Отделение частей метеорного тела происходит из-за механического дробления, вызванного давлением набегающего потока, термомеханического дробления, появляющегося в результате возникновения термических напряжений при повышении температуры в следе и дробления, когда электростатическое давление вследствие приобретения метеорным телом поверхностного заряда из-за эмиссий и выбивания электронов и ионов набегающими атомами превышает прочностные характеристики материала.
Согласно «гипотезе о пылевых комочках» некоторые метеорные тела имеют рыхлую структуру. Эта гипотеза хорошо согласуется с данными высот, на которых исчезают метеоры и с их яркостью. Благодаря рыхлой структуре метеорные тела имеют меньшую массу, светятся ярче (так как имеют большую площадь поверхности тела) и дробятся интенсивнее из-за меньшей плотности. Плотность самих зерен, которые, слипаясь, составляют рыхлую структуру метеороида, имеет значения 2-3 г/см^3 (как и плотных каменных метеорных тел), их размеры – от десятков до сот микрометров. Плотность же рыхлого метеорного тела может быть менее 1 г/см^3.
О структуре и составе метеорных тел можно судить не только по спектрам метеоров, но и по метеоритам. По составу они делятся на каменные, железные и железо-каменные. Наиболее часто встречаются каменные метеориты, которые состоят из силикатов: оливинов и пироксенов. Большинство каменных метеоритов являются хондритами, так как содержат хондры – сферические или эллиптические образования преимущественно силикатного состава. Ахондриты – это обломки протопланетных тел, прошедшие плавление и дифференциацию вещества по составу (на металлы и силикаты). Железные метеориты состоят из железо-никелевого сплава и встречаются достаточно редко. На метеоритах можно заметить так называемые регмаглипты – вытянутые ямки, образованные из-за сверлящего действия турбулентного потока воздуха, обтекающего метеорное тело [5].
Несмотря на сложность регистрации метеороидов, ученые весьма преуспели в понимании явлений, связанных в этими небесными телами. Однако, еще много загадок предстает решить впереди. Интерес в их изучении является не только теоретическим, но также и практическим. В результате пролета метеорных тел могут пропадать радио сигналы, а финальное падение метеоритов на Земли в случае крупных метеорных тел может нанести разрушающие последствия. Поэтому изучение метеоров оказывается очень важным.
Литература
1. И.С. Астапович, Метеорные явления в атмосфере Земли. М., 1958
2. Бронштэн В.А. Метеоры. Метеориты. Метеороиды. М.: Наука, 1987.
3. Keay, C. S. L. Anomalous sounds from the entry of meteor fireballs // Science, 210, 11-15. 1980.
4. Richard Spalding, John Tencer, William Sweatt, Benjamin Conley, Roy Hogan1, Mark Boslough, GiGi Gonzales & Pavel Spurný. Photoacoustic sounds from meteors // Scientific Reports volume7, Article number: 41251 (2017).
5. Кринов Е.Л. Инструкция по наблюдению падений, поискам и сбору метеоритов. М.: Изд-во АН СССР, 1950.
___________________________________
Материалы статьи опубликованы в журнале "Земля и Вселенная":
Морозова Т. И. О чем звучат метеоры? / Земля и Вселенная, №2 (356), 2024. — с. 118-125. DOI: 10.7868/S0044394824020075.
Видео-лекция по теме статьи: