Fyzika meteorů

1. Fyzika meteorů Úvod a teorie (Lukáš Shrbený) Pozorování a statistika (Pavel Koten) Spektra (Jiří Borovička) Astronomický Ústav AV ČR, Ondřejov

2. Úvod a teorie • základní terminologie (meteor, meteorit..) • geometrie střetu se Zemí (možné rychlosti, sklony k povrchu, tvar trajektorie v Hillově sféře Země) • let atmosférou (sputtering, předehřátí, ablace, fragmentace..) • fyzikální teorie (základní rovnice brždění, ztráty hmoty a záření) • parametry popisující průlet (ablační koeficient, světelná účinnost, PE..) • klasifikace bolidu (typy I, II, ..) • temná dráha a pád meteoritu

3. Terminologie meteoroid vstup do atmosféry ablace (ztráta hmoty) meteor bolid (-4m) temná dráha meteorit

4. Střet se Zemí • meteory jsou vyvolané tělísky většími než 0,01 mm (záleží na v) • 0m: 2 cm@15 km/s, 1 cm@30 km/s, 0,5 cm@60 km/s • meteoroidy pocházející ze sluneční soustavy mají omezené rychlosti střetu: 11,2 km/s (jen zemská gravitace) – 72,8 km/s (42,5 parabolická rychl. v perihelu zemské dráhy a 30,3 oběžná). Směr/bod, ze kterého meteoroid přilétá je radiant • meteoroid se v Hillově sféře Země pohybuje po hyperbolické dráze, část meteoru je aproximována přímkou • úhly vstupu do atmosféry nejsou omezeny

5. Tečný průlet (Earth grazing) 1972, Grand Teton. USA-Kanada, více než 1500 km dráha

6. Malý sklon 1992, Peekskill. USA, 700 km dráha, sklon 3,4°

7. Velký sklon (strmý let) 1991, Benešov. 83 km dráha (98-16 km), sklon 8° k vertikále

8. Let atmosférou • sputtering – rychlé meteory, srážky se vzduchem vyvolávají vyražení částic z povrchu meteoroidu, při termalizaci je emitováno záření. Ek vyvržených > 1000x vyšší než částice vzduchu, kaskáda kolizí vyvolá záření. • předehřátí – srážkami s částicemi vzduchu se postupně meteoroid zahřívá (< 0,5 mm celé) na teplotu asi 2200 K. • záření/ablace – zahřátý materiál začne sublimovat a zaplní okolí tělesa. Záření meteoru > 90% z emisních čar jednou excitovaných kovů a železa při teplotách 3-5 tis. K. • fragmentace – makroskopická forma ablace. Odlamování kusů, drolení na zrna, rozpad celého tělesa.

9. Let atmosférou • zjasnění - uvolnění hmoty nebo změna fyzikálních vlastností • wake - záření emitované těsně za meteoroidem, až několik km dlouhé s trváním̴0,1s. Plynný (v horní části letu) nebo částicový (úlomky, kapky) • stopy: krátko-trvající (zelená čára O 557,7nm): < 3s, ̴105 km; dlouho-trvající: minuty až hodiny, v max. jasnosti meteoru, Mg I 517 nm a Na I 589 nm během prvních sekund, pak chemiluminescence FeO a Na, které jsou katalyzátory reakcí O a O3; prachové: odraz a rozptyl slunečního světla • zvuky: elektrofonické (slyšitelné hned, relaxací geomagnetického pole zpět do rovnováhy jsou emitovány radiové vlny ELF/VLF o frekvenci 1-10kHz, které reagují s předměty na zemi) akustické (po několika minutách, rázová vlna nebo exploze)

10. Let atmosférou 2013, Čeljabinsk – vývoj prachové stopy

11. 2013, Čeljabinsk – prachová stopa ze spoda a z boku

12. Let atmosférou 2013, Čeljabinsk – vývoj prachové stopy

13. Fyzikální teorie • pohyb, ablace a svícení nefragmentujícího tělesa v atmosféře (pohyb po přímce, zanedbána gravitace) se dají popsat pomocí čtyř diferenciálních rovnic: brždění (zachování hybnosti) ztráta hmoty (zachování Ek) svícení (změna Ek) výšky (pro kulový povrch) (Γ drag coef., Λ heat transfer c., A = Sm-⅔ρd ⅔ shape factor, S head cross section, ξenergy necessary for ablation of a unit mass, τ luminous efficiency, σ ablation c., K shape-density c.)

14. Koeficienty a veličiny • počáteční rychlost v∞ • délka či výška jako fce času rychlost a brždění • empirické vztahy nebo numerické řešení diferenciálních rovnic • numerické modely (gross-fragmentation, FM, erosion…)

15. Koeficienty a veličiny • počáteční rychlost v∞ • počáteční hmota m∞ • fotometrická (integrál rce svícení) a dynamická • Závislost na světelné účinnosti (fce v, m, typu meteoru) Pecina a Ceplecha, 1983 - Innisfree a umělé met. - závislost na v ReVelle a Ceplecha, 2001 - PN, EN, umělé met. Ceplecha a ReVelle, 2005 - vnitřní hodnoty τ fitováním dat pádu meteoritů Lost City - závislost na v, m, ρ/ρM

16. Koeficienty a veličiny • počáteční rychlost v∞ • počáteční hmota m∞ • PE koeficient • rozdělení bolidů do 4 skupin podle empirického koncového kritéria (různé schopnosti ablovat) • založeno na 156 PN bolidech s velkou fotometrickou kvalitou a v∞< 40 km/s (Ceplecha a McCrosky, 1976)

17. Koeficienty a veličiny • počáteční rychlost v∞ • počáteční hmota m∞ • PE koeficient • ablační koeficient σ • popisuje schopnost meteoroidu ztrácet hmotu(fragmenty, kapky, prach) • definován rovnicemi brzdění a ztrátou hmoty • zdánlivé (bez započtení fragmentace) a vnitřní hodnoty (podobný pro všechny PE typy ̴0.006 s2/km2) s a K konstantní (Ceplecha a ReVelle, 2005) (ReVelle a Ceplecha, 2001)

18. Koeficienty a veličiny • počáteční rychlost v∞ • počáteční hmota m∞ • PE koeficient • ablační koeficient σ • dynamický tlak p • dává odhad mechanické pevnosti meteoroidu • Typické hodnoty dyn. Tlaků v bodech první fragmentace kamenných meteoroidů jsou 0.4 – 4 MPa (Borovička a Spurný, 2008)

19. Koeficienty a veličiny • počáteční rychlost v∞ • počáteční hmota m∞ • PE koeficient • ablační koeficient σ • dynamický tlak p • objemová hustota ρd • z gross-fragmentačního modelu: Km∞-⅓ = ΓAρd-⅔m∞-⅓(Ceplecha et al., 1993) • ze světelné křivky (Babadzhanov, 2002) • z erozního modelu (Borovička et al., 2007) • hustota zrn a porozita jsou parametry modelu (ReVelle a Ceplecha, 2001)

20. Koeficienty a veličiny • počáteční rychlost v∞ • počáteční hmota m∞ • PE koeficient • ablační koeficient σ • dynamický tlak p • objemová hustota ρd • počáteční a koncová výška hB, hE • přímo z pozorování • Fujiwara et al. 1998 pro Leonidy naměřili výšky kolem 150 km – sputtering. Nejvyšší změřená hodnota je 199 km pro Leonidu z roku 1998 • záleží na použitém detektoru a objektivu • koncové výšky bez omezení, častěji nad 40 km

21. Koeficienty a veličiny • počáteční rychlost v∞ • počáteční hmota m∞ • PE koeficient • ablační koeficient σ • dynamický tlak p • objemová hustota ρd • počáteční a koncová výška hB, hE • jasnost • fotometrie šířková přímo z filmů nebo určením gradační křivky na skenovaných kopiích (měření zčernání) • světelná křivka bolidu: jasnost/intenzita jako fce času • náhlá zjasnění - spojitost s fragmentací • milisekundové změny (spikes) (Spurný a Ceplecha, 2008) • cyklické změny (flickering)

22. Koeficienty a veličiny • cyklické změny (flickering) • možná vysvětlení (Oleak, 1964): rotace nesférického meteoroidu; vibrace meteoroidu; oddělování fragmentů; autofluktuační charakter evaporačních procesů • často pozorované u Geminid (Beech a Brown, 2000; Beech et al, 2003) • z počátečních frekvencí určeno stáří meteoroidů Geminid (Beech, 2002) na základě windmill efektu (Paddack, 1969)

23. Koeficienty a veličiny • flickering na světelných křivkách s velkým časovým rozlišením • Poprvé publikovali Spurný a Borovička (2001) pro bolid Vimperk

24. Koeficienty a veličiny • flickering na světelných křivkách s velkým časovým rozlišením • první pád meteoritu s flickeringem - Bunburra Rockhole (Spurný et al., 2012) fragmentace meteoroidu už při dosažení dynamického tlaku 0.1 MPa, to odpovídá maximální možné rotaci dosažené těsně před rozpadem tělesa 4.7 Hz, ale pozorovaná frekvence je asi 8 Hz  v tomto případě nejde o rotaci

25. Temná dráha a pád meteoritu • pokud se těleso zabrzdí natolik ( ̴3 km/s), že již nedochází třením k jeho odpařování, pak přestane svítit a dále není pozorované – temná dráha – je popsána pohybovými rovnicemi pro neablující těleso • špatná znalost větru a tvaru a hmotnosti tělesa • poč. podmínky z koncového bodu – směr, rychlost, zrychlení • rychle přechází do volného pádu, dopad ̴10-100 m/s

26. Temná dráha a pád meteoritu Temná dráha určená pro meteority Bunburra Rockhole

27. Temná dráha a pád meteoritu • místo dopadu – důlek, prohlubenina, impaktní kráter • záleží na hmotnosti

28. Fyzika meteorů Úvod a teorie (Lukáš Shrbený) Pozorování a statistika (Pavel Koten) Spektra (Jiří Borovička) Astronomický Ústav AV ČR, Ondřejov

29. Literatura • Ceplecha a kol. (1998)Meteor Phenomena and Bodies. Space Science Reviews, v. 84, Issue 3/4, p. 327-471 • Pecina a Ceplecha (1983) New aspects in single-body meteor physics. Astronomical Institutes of Czechoslovakia, Bulletin (ISSN 0004-6248), vol. 34, p. 102-121. • ReVelle a Ceplecha (2001) Bolide physical theory with application to PN and EN fireballs. In: Proceedings of the Meteoroids 2001 Conference, p. 507 - 512 • Ceplecha a ReVelle (2005) Fragmentation model of meteoroid motion, mass loss, and radiation in the atmosphere. Meteoritics & Planetary Science, Vol. 40, p.35 • Ceplecha a McCrosky (1976) Fireball end heights - A diagnostic for the structure of meteoric material. Journal of Geophysical Research, vol. 81, p. 6257-6275 • Borovička a Spurný (2008) The Carancas meteorite impact - Encounter with a monolithic meteoroid. Astronomy and Astrophysics, Volume 485, Issue 2, pp.L1-L4 • Ceplecha a kol. (1993) Atmospheric fragmentation of meteoriods. Astronomy and Astrophysics, vol. 279, no. 2, p. 615-626 • Babadzhanov (2002) Fragmentation and densities of meteoroids. Astronomy and Astrophysics, vol.384, p.317-321 • Borovička a kol. (2007) Atmospheric deceleration and light curves of Draconid meteors and implications for the structure of cometary dust. Astronomy and Astrophysics, Volume 473, Issue 2, pp.661-672 • Spurný a Ceplecha (2008) Is electric charge separation the main process for kinetic energy transformation into the meteor phenomenon?Astronomy and Astrophysics, Volume 489, Issue 1, pp.449-454 • Oleak (1964) Pulsationen in der Lichtkurve von Meteoren. Astronomische Nachrichten, volume 288, p.7 • Beech a Brown (2000) Fireball flickering: the case for indirect measurement of meteoroid rotation rates. Planetary and Space Science, Volume 48, Issue 10, p. 925-932 • Beech a kol. (2003) Analysis of a "flickering" Geminid fireball. Meteoritics &Planetary Science, vol. 38, no. 7, p.1045-1051 • Beech (2002) The age of the Geminids: a constraint from the spin-up time-scale. Monthly Notice of the Royal Astronomical Society, Volume 336, Issue 2, pp. 559-563 • Paddack (1969) Rotational burning of scmall celestial bodies: Effects of radiation pressure. Journal of Geophysical Research, vol. 74, issue 17, pp. 4379-4381 • Spurný a Borovička (2001) EN310800 Vimperk fireball: probable mereorite fall of an Aten type meteoroid. In: Proceedings of the Meteoroids 2001 Conference, p. 519 - 524 • Spurný a kol. (2012) The Bunburra Rockhole meteorite fall in SW Australia: fireball trajectory, luminosity, dynamics, orbit, and impact position from photographic and photoelectric records. Meteoritics & Planetary Science, Volume 47, Issue 2, pp. 163-185