Микрометеориты: как ученые космическую пыль взвешивали

Далеко не все небесные тела так опасны, как о том говорят плоды массовой культуры. Конечно, есть астероиды колоссальных размеров, которые способны стереть жизнь с лица Земли, но они так же далеко, как человечество до полного взаимопонимания друг друга. Иногда новостную ленту, наполненную политикой, склоками и междоусобицами, прерывает сообщение о падении на Землю какого-то объекта. Ярким тому примером является метеорит Челябинск, упавший в 2013 году на территории одноименной области. Но далеко не все падающие на поверхность Земли космические объекты так популярны и, самое главное, так заметны. Подавляющее большинство это очень маленькие и безобидные метеороиды, появление которых в нашей атмосфере называют падающими звездами, а точнее метеорами. На протяжении последних 20 лет ученые из НЦНИ (Национальный центр научных исследований, Франция) изучали микрометеориты, совершившие аварийную посадку на Земле. Почему исследования проводилось в Антарктиде, каких размеров были найденные объекты, и сколько микрометеоритов насчитали исследователи? От этом мы узнаем из доклада ученых. Поехали.

Основа исследования

Каждый год на нашу планету падает весьма немалое число различных объектов, которые классифицируют в зависимости от размеров, массы, происхождения и т.д. Однако в этом вопросе существует много споров. К примеру, по мнению одних ученых метеоритами стоит называть тела размером свыше 2 мм, а микрометеоритами — от 10 мкм до 2 мм. При этом по стандартам IAU (International Astronomical Union) к метеоритам относятся тела от 30 мкм до 1 м, а микрометеориты это объекты с субмиллиметрыми размерами.

Метеорит Гоба

Что касается массы, то тут все чуть проще. Тяжелый — метеорит, легкий — микрометеорит. Маса большинства микрометеоритов колеблитсья от 10⁻⁹ до 10⁻⁴ грамм, тогда как масса самого крупного метеорита Гоба составляет 66 тонн. Несмотря на это, именно микрометеориты составляют большую часть внеземного материала, попадающего на Землю.

Проблема каких-либо измерений, связанных с микрометеоритами, заключается, как бы иронично это не звучало, с их малыми размерами. Субмиллиметровые частицы крайне сложно отслеживать в момент вхождения в атмосферу, а искать на поверхности еще сложнее. Именно по этой причине полевые наблюдения проводились на территории антарктической станции Конкордия, расположенной на Куполе С (Антарктида; 75°06′00″ ю. ш. и 123°19′58″ в. д.). Условия тут далеки от курортных, ибо температура может опускаться до -80 °C, а ночь длиться 4 месяца подряд.

Изображение №1

Самыми важными аспектами такой локации для данного исследования являются регулярность осадков и невероятная чистота снега, которые в совокупности позволяют контролировать условия сбора образцов и параметры воздействия, т.е. природные факторы, влияющие на образцы.

За время исследования было найдено 1280 нерасплавленных микрометеоритов (uMM от unmelted micrometeorites) и 808 космических сфер (CS от cosmic spherules) диаметром от 30 до 350 мкм.

Изображение №2

Стоит отметить, что распределение космической пыли по размерам в диапазоне диаметров 10-1000 мкм до входа в атмосферу осуществлялось посредством инфракрасных наблюдений Зодиакального облака*, детекторов пыли в космос и радиолокационных наблюдений.

Зодиакального облака* — состоит из космической пыли, которая пронизывает пространство между планетами внутри планетных систем, таких как Солнечная система.

При входе в атмосферу часть потока испаряется, а другая часть сохраняется в виде расплавленных и нерасплавленных частиц. Сложные физико-химические процессы, происходящие при входе в атмосферу, были описаны с помощью модели CABMOD-ZoDy (Sources of cosmic dust in the Earth’s atmosphere и Cosmic dust fluxes in the atmospheres of Earth, Mars, and Venus), которая была усовершенствована для учета измеренного распределения массы.

Результаты исследования

Изображение №3: сверху — гистограммы распределений размеров uMM (синий) и CS (красный); снизу — кумулятивное количество и массовые распределения uMM (синий и серый) и CS (красный и оранжевый).

На графиках выше представлено распределение по размерам uMM и CS из полного набора данных. uMM и CS демонстрируют максимальный поток по количеству частиц при D_eq = 50 мкм (эквивалентный диаметр D_eq = (a · b · b)^1\3).

Изображение №4: сверху — распределение по размерам для uMM (слева) и CS (справа), представленное как поток массы с использованием ячеек в 30 мкм для диаметра; снизу — распределения массы для uMM (слева) и CS (справа), выведенные из полного набора данных и построенные с логарифмическими ячейками по массе.

Сумма масс частиц относительно параметра воздействия в выбранных расплавах составляет 2.7 мкг/м² в год для uMM и 5.2 мкг/м² в год для CS. Эти значения, скорректированные по Q (эффективность сбора микрометеоритов), обеспечивают абсолютный поток массы в диапазоне диаметров от 30 до 240 мкм.

Если же ограничить анализ образцов исключительно расплавами снега из этого региона, то общий поток массы частиц размером от 30 до 240 мкм составляет 7.7 мкг/м² в год. Принимая во внимание нижний предел диаметра в 12 мкм и верхний предел в 700 мкм, предполагаемые глобальные значения равны: 3.0 ± 1.0 мкг/м² в год для uMM и 5.7 ± 1.5 мкг/м² в год для CS. Экстраполируя эти данные на всю поверхность Земли, поток uMM составляет 1600 ± 500 тонн в год.

Что касается процентного соотношения по габаритам, то примерно 75% uMM и CS, найденных вокруг станции Конкордия, были от 30 до 100 мкм. Однако такого размера микрометеориты составляют лишь 30% от общего потока массы. uMM и CS диаметром от 100 до 200 мкм составляют от 15% до 20% от общего числа найденных частиц, при этом они представляют около половины общего потока. А частицы с диаметром > 200 мкм попадались крайне редко, но их вклад в общий поток весьма внушителен и составляет около 20%.

Изображение №5: слева — изменение отношения между измеренным и номинальным входным потоком для различных диапазонов процентилей и вероятности восстановления в зависимости от параметра воздействия; справа — P30, P20 и P10 это вероятности (в зависимости от параметра воздействия) того, что номинальный входной поток оценивается с погрешностью менее 30%, 20% или 10% соответственно.

Распределение массы uMM и CS достигает своего максимума при D_eq = 100 мкм и D_eq = 120 мкм соответственно. Эти габариты соответствуют массе 0.8 мкг для uMM и 2.7 мкг для CS. Для масс более 10 мкм uMM частицы вносят в общий поток вклад в 10 раз больший, чем CS.

Изображение №6: распределение CS и uMM из разных коллекций образцов, собранных в данном регионе в ходе различных исследований.

Из графика показано распределение внеземных частиц на околоземной орбите, полученное в результате столкновений этих частиц с панелями спутника LDEF (от Long Duration Exposure Facility).

Long Duration Exposure Facility

Измерения размеров «кратеров», вызванных высокоскоростными столкновениями субмиллиметровых частиц с панелями, были использованы для определения распределения размеров внеземных частиц до входа в атмосферу. Важно отметить, что наземные распределения могут существенно отличаться от доатмосферного распределения ввиду потери массы более крупными частицами в момент их вхождения в атмосферу.

Сравнение результатов данного исследования с данными предыдущих трудов показало незначительные расхождения, которые могли быть вызваны несколькими факторами: разная область сбора образцов, разная скорость накопления снега, вариативность потока частиц и т.д. Однако, несмотря на расхождения, данный труд характеризует глобальный поток частиц примерно на том же уровне, что и исследования 2004 года, когда образцы собирались в трех местах вокруг гор Ямато (Антарктида).

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

В ходе данного исследования были собраны образцы микрометеоритов в районе станции Конкордия (Антарктида). Эта локация была выбрана не просто так, а по причине высокой степени чистоты снежного покрова, что позволяет лучше контролировать сбор образцов. Также важную роль сыграла регулярность выпадения осадков, что позволяет более точно оценивать параметр воздействия окружающей среды на собираемые образцы. Всего из снега было собрано 1280 uMM (нерасплавленные микрометеориты) и 808 CS (сферические объекты) частиц.

Анализ четырех расплавов (забор снега для выявления частиц) позволил установить общий поток массы, переносимый частицами в диапазоне диаметров от 30 до 240 мкм: 2.7 мкг/м² в год для uMM и 5.2 мкг/м² в год для CS. Экстраполяция этих данных на глобальный поток частиц, охватывающий диапазон диаметров 12…700 мкм, показывает, что на Землю падает примерно 1600 тонн uMM и 3600 тонн CS частиц в год. Соответствующий поток углерода, переносимый этими частицами, составляет от 20 до 100 тонн в год.

Около 25% потока, достигающего поверхности Земли в неизмененном виде, переносится частицами с высокой концентрацией углерода, что указывает на кометы, как их источник. Анализ данных с помощью расширенной модели CABMOD-ZoDy показал, что большая часть приходящего на Землю потока внеземных частиц происходит от комет семейства Юпитера. Именуются они так, поскольку их текущие орбиты в первую очередь определяются гравитационным влиянием Юпитера. Также моделирование показало, что общий поток частиц до вхождения в атмосферу составляет около 15000 тонн в год.

Вышеописанные результаты лишний раз подтверждают, что именно микрочастицы являются основным источником веществ внеземного происхождения на Земле. Другими словами, хоть крупные метеориты и выглядят внушительно, и приземляются эффектно, их годовой поток составляет всего лишь 10 тонн.

Какого бы размера ни были упавшие на нашу планету объекты, они оказывают определенное влияние на ее развитие, учитывая переносимые ими вещества. Подобного рода исследования позволяют лучше оценить степень этого влияния.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?