Челябинский болид: как астероид разрушился над Южным Уралом

Утром 15 февраля 2013 года над Южным Уралом прошёл яркий болид. Его сняли автомобильные регистраторы и камеры наблюдения. На записях огненный шар быстро пересекает небо, ярко вспыхивает и оставляет белую полосу. Удар приходит позже: окна дрожат и разбиваются, в зданиях слышен грохот.

Так закончился полёт астероида размером около двадцати метров. Большую часть энергии он отдал воздуху, разрушившись высоко над землёй. До поверхности долетели отдельные куски. Самый известный из них несколько месяцев спустя подняли со дна озера Чебаркуль.

Предупреждения о челябинском астероиде не было. После его разрушения несколько научных групп стали собирать записи и образцы. Ольга Попова и её коллеги работали с видео и находками, команда Питера Брауна оценивала энергию события, а Николай Горькавый изучал пыль, оставшуюся в атмосфере. Их работы прослеживали разные последствия одного пролёта.

Астероид пришёл со стороны Солнца

Небольшое тело трудно найти заранее, если оно приближается с солнечного направления. В последние часы перед входом челябинского астероида это направление оставалось примерно в пределах 15 градусов от Солнца. Такой результат приведён в расчёте Дона Йоманса и Пола Чодаса из JPL.

На этом участке неба слабый астероид теряется в солнечном свете. Наземный поисковый телескоп не может работать там так же, как на тёмном ночном фоне. Малый размер дополнительно сокращает расстояние, на котором объект удаётся заметить. В случае Челябинска эти условия не позволили получить предупреждение.

В тот же день мимо Земли пролетал другой астероид — 2012 DA14, обнаруженный заранее. Совпадение дат породило предположение, что челябинское тело было его обломком. Но орбиты и направления сближения различались. Близкий пролёт DA14 состоялся более чем через шестнадцать часов после челябинского болида. Это были два разных события.

Для восстановления пути пригодились записи с разных улиц. На них болид прошёл рядом с видимыми крышами, столбами и другими ориентирами. Ориентиры задавали направление взгляда, но не расстояние до тела. Чтобы получить траекторию в пространстве, нужно было совместить направления с нескольких известных точек.

Этим занималась международная группа Ольги Поповой, в которую входил специалист по метеорам Питер Дженнискенс. С мест установки камер команда фотографировала ночное небо. Положение звёзд известно, поэтому снимки позволяли уточнить, в какую сторону смотрел каждый объектив. В сообщении NASA о работе группы описана такая калибровка дневных записей по звёздам.

Откуда взялась энергия воздушного взрыва

Питер Браун и его коллеги оценили параметры входа в работе Nature. По их расчёту диаметр астероида составлял примерно 19 метров, с диапазоном 17–20 метров. Энергия события — около 500 килотонн в тротиловом эквиваленте, с неопределённостью примерно 100 килотонн.

Тело вошло в атмосферу со скоростью около 19 километров в секунду. Энергия движения зависит от массы и квадрата скорости. Если скорость одного и того же тела увеличить вдвое, энергия возрастёт в четыре раза. У челябинского астероида она была огромной именно из-за космической скорости.

Тротиловый эквивалент — способ сравнения количества энергии. За единицу принимают энергию взрыва известной массы тротила. В челябинском теле источником служило движение. При торможении эта энергия передавалась газу и разрушавшемуся камню.

Важен и способ её выделения. Ядерный взрыв можно приближённо рассматривать как очень быстрое выделение энергии в одной области. Астероид разрушался и тормозился вдоль протяжённого пути. Браун с коллегами показали, что прямой перенос некоторых зависимостей для ядерных взрывов завышал ожидаемые повреждения от челябинского события.

Высота и длина участка разрушения влияют на воздействие у земли. Челябинское тело отдало основную энергию воздуху высоко над поверхностью. Крупного кратера в городе не возникло, но волна давления дошла до зданий и разбила окна.

Как камень распался в воздухе

Перед быстро движущимся телом воздух сжимается и нагревается. По мере снижения плотность атмосферы увеличивается, а давление на поверхность растёт. Камень испытывает сильные механические нагрузки. Внутренние трещины делают его особенно уязвимым.

В исследовании Иржи Боровички и соавторов челябинский астероид описан как сильно растрескавшееся каменное тело. Его дробление на небольшие части происходило примерно на высотах от 45 до 30 километров. Это был процесс вдоль траектории, а не единственный мгновенный взрыв в одной точке.

Когда тело раскалывается, суммарная открытая поверхность фрагментов увеличивается. Воздух получает доступ к новым участкам, куски нагреваются и тормозятся по отдельности. Мелкие части быстро теряют вещество. Некоторые продолжают дробиться, другие полностью разрушаются.

По реконструкции Боровички и коллег, после дробления оставались более крупные фрагменты, продолжавшие движение. Они тормозились, но часть материала пережила горячий участок. Позднее эти остатки нашли на земле. Масса найденных метеоритов составляла лишь небольшую часть первоначального тела.

Максимум яркости, начало раскола и наибольшее выделение энергии могут приходиться на разные моменты. В коротких пересказах их часто объединяют словами «взорвался на такой-то высоте». Записи позволяют восстановить более подробную картину: вход, усиление света, несколько стадий разрушения и продолжение пути остатков.

Почему удар пришёл после вспышки

Свет от болида достигает человека практически сразу. Волна давления распространяется в воздухе гораздо медленнее. Между ярким пролётом и приходом удара возникает пауза. Её длительность зависит от расстояния до участка разрушения и от условий распространения волны.

Эта последовательность хорошо заметна на челябинских видео. Самый яркий момент уже закончился, белая полоса осталась в небе, а камеры всё ещё спокойно снимают улицу. Затем приходит воздушная волна. Разбивающееся стекло и строительные обломки стали причиной многих травм.

Записи с неподвижных камер полезны и для расчётов. У камеры есть известное место, а звук и движение предметов помогают определить время прихода волны. В NASA сравнивали такие наблюдения с компьютерной моделью её распространения. Для этой задачи обычная запись двора или парковки иногда даёт больше, чем эффектный крупный план огненного шара.

Атмосферное возмущение распространилось далеко за пределы Урала. В докладе Пьеррика Миаля для CTBTO описана регистрация события двадцатью инфразвуковыми станциями, от Гренландии до Антарктики. Они улавливают очень низкие частоты, лежащие ниже обычного диапазона слуха человека.

Сеть CTBTO создана для наблюдения за признаками ядерных испытаний, но записала крупное природное событие. Видео давали путь и световую картину, инфразвуковые приборы — сведения о волне в атмосфере. Совместный анализ помогал оценивать энергию входа разными методами.

Камень со дна Чебаркуля

В полевой части работы группа Поповой собирала рассказы очевидцев и образцы. Фрагменты находили и местные жители. Сам метеорит классифицировали как обычный хондрит типа LL5. «Обычные хондриты» — название большой группы каменных метеоритов, к которой принадлежит челябинское вещество.

Образцы сохранили минералы и следы прежних ударов. Тёмные прожилки возникли в результате столкновений, которые вещество пережило ещё до встречи с Землёй. Камень позволял изучать внутреннюю структуру астероида, тогда как камеры показывали только его яркий пролёт.

Часть материала попала в озеро Чебаркуль. 16 октября 2013 года водолазы подняли большой фрагмент. В ноябрьском сообщении NASA его массу оценивали примерно в 650 килограммов. Это масса одного куска, а не всего исходного астероида: большая часть вещества была потеряна в атмосфере.

В работе Поповой полевые данные и анализ образцов дополняли восстановленную по видео картину. Внутренние повреждения камня помогали объяснить его невысокую прочность. Эти наблюдения согласовывались с выводом Боровички о трещинах и раннем дроблении тела. Размер эффектного обломка был только одной из многих характеристик, доступных после падения.

Пыль продолжила путь над Землёй

После исчезновения болида и белого следа в воздухе оставались мелкие частицы. Этой частью события занимался атмосферный физик Николай Горькавый, выросший в Челябинске и работавший в Центре космических полётов NASA имени Годдарда.

Примерно через три с половиной часа после входа прибор OMPS на спутнике Suomi NPP зарегистрировал высоко в атмосфере аэрозольный след. В материале NASA Earth Observatory описано, как спутниковые данные сравнили с моделью движения воздуха. Более высокая и быстрая часть пылевого облака за несколько дней обошла Северное полушарие. Остатки полосы удавалось отслеживать месяцами.

Это уже были не летящие раскалённые камни. Мелкая пыль смешалась с воздухом и переносилась атмосферными потоками. Цветное изображение OMPS показывает распределение аэрозоля по данным прибора, а не фотографию огненного шара, который продолжает лететь вокруг Земли.

Группа Горькавого продолжала отслеживать пыль, когда горячий пролёт давно закончился, а на земле уже изучали камни. Измерения верхней атмосферы дополнили видео и находки: они показали, куда ветер переносил мелкое вещество после разрушения астероида. Для этой части исследования важны были уже дни и месяцы, а не секунды утренней вспышки.