Rozhovor: David Čapek - Pukání vesmírných kamenů
Začneme u nás doma - proč pukají kameny na Zemi?
Ze Země známe dva způsoby pukání kamenů, které jsou spojené s teplotními změnami. Prvním je tzv. mrazové zvětrávání, které je způsobeno střídavým tuhnutím a táním vody v puklinách hornin. Druhým je tzv. tepelné zvětrávání, které je naopak způsobeno změnami objemu v horninách střídáním jejich teploty. Mrazové zvětrávání převládá v mírném klimatickém pásu, v subarktických a periglaciálních oblastech, zkrátka všude tam, kde je dostatek vlhkosti a kde teplota překračuje nula stupňů Celsia. Tepelné zvětrávání naopak převažuje v suchých oblastech, tedy v pouštích, kde není téměř žádná vlhkost a kde jsou velmi velké rozdíly mezi denními a nočními teplotami.
Pukání kamenů tedy ze Země známe velice dobře. Kameny se ale pohybují i ve vesmíru. Mohou i ty puknout?
Určitě ano. Ve vesmíru, konkrétně v okolí Země a blíže ke Slunci, panují podmínky, které jsou velice příznivé pro tento druh rozpadu hornin. My například víme, že k tepelnému rozpadu hornin dochází na Merkuru, Měsíci nebo na některých blízkozemních asteroidech. Nedávno byla publikována práce o tepelném rozpadu balvanů na planetce Eros. Také předpokládáme, že k rozpadu dochází u malých těles – meteoroidů.
Ano má. K tomuto jevu dochází tak, že Slunce ohřívá přivrácenou stranu daného tělesa, zatímco odvrácená strana chladne díky tepelnému vyzařování. Tím na těchto tělesech mohou vznikat velké teplotní rozdíly, které jsou spojeny s objemovými změnami díky teplotní roztažnosti. Ta je vlastní všem pevným látkám. Tím vznikají deformace a s tím spojená napětí, která označujeme jako tepelná napětí. Právě ta mohou v některých případech překročit pevnost materiálu a může dojít k puknutí daného tělesa.
Které druhy kamenů jsou tím nejvíce ohroženy?
Náš výzkum s prof. Davidem Vokrouhlickým z MFF UK se týká především pukání meteoroidů, tedy těles o velikosti od zlomků milimetrů až po několik metrů (záleží na hranici, jakou si stanovíme mezi meteoroidem a asteroidem). Vychází nám, že k rozpadu jsou náchylnější spíše větší meteoroidy než menší, a také tělesa, která jsou poměrně blízko u Slunce. Ve větších vzdálenostech totiž už nejsou teplotní rozdíly v tělesech natolik velké, aby způsobily mechanická napětí větší, než je pevnost materiálu. Také jsme zjistili, že tělesa, která se rychle otáčejí, mají teplotu na svém povrchu a v nitru rozprostřenou rovnoměrněji, a tudíž v nich vznikají menší napětí, než u těles, která se otáčí pomalu.
A závisí to také na chemickém složení?
Spíš než na chemickém složení to závisí na mechanických vlastnostech daného materiálu, především na pevnosti v tahu. Je známo, že některé meteoroidy jsou pevnější než jiné. Například železné meteoroidy mají mnohem větší pevnost než kamenné a ty zase větší než kometární materiál.
Jak se meteoroid přibližuje ke Slunci, dochází ke zvětšování teplotních rozdílů a zvyšují se i tepelná napětí. Pokud není meteoroid příliš pevný, tak nakonec může být překročena mez pevnosti. K tomu dojde nejprve na povrchu tělesa. Postupně se začínají tvořit trhliny, které se začnou spojovat a dá se pak předpokládat jeden z následujících scénářů: 1. Těleso se může rozpadnout na několik kusů. 2. Těleso se pokryje rozpukanou vrstvou, která má nižší tepelnou vodivost a dokáže tepelně a mechanicky ochránit vnitřek meteoroidu před další destrukcí. 3. Rozpukaná vrstva se díky např. rychlé rotaci nebo uvolňování elastické energie při tvorbě trhlin začne uvolňovat a odlétávat z meteoroidu a ten se začne postupně zmenšovat – dochází k erozi tělesa.
Znamená to, že některé meteoroidy se nemohou vyskytovat v určitých oblastech Sluneční soustavy?
V podstatě ano. My jsme si pro náš výzkum zvolili roj Geminidy. Ten je aktivní okolo 15. prosince a je zvláštní tím, že tělesa, která ho způsobují, se přibližují ke Slunci na velice malou vzdálenost asi 0,14 astronomické jednotky. To je hluboko pod drahou Merkuru. Tato tělesa zažívají velké teplotní šoky a jsou namáhána velkými tepelnými napětími. My jsme se pokusili modelovat, co tato napětí udělají s meteory Geminid. Vyšlo nám, že pokud jsou tělesa malá, tak přežijí průlet kolem Slunce téměř bez jakýchkoli následků. Čím jsou větší, tím větší procento z nich bude zničeno a přežijí jen nejpevnější, Z našeho modelu tedy vyplývá, že při pozorování průletu těchto těles zemskou atmosférou bychom měli vidět, že větší tělesa jsou pevnější, než ta menší. Podle předběžných výsledků kolegy Jiřího Borovičky z našeho oddělení to zatím vypadá, že tomu tak skutečně je.
Na otázky Petra Sobotky odpovídal dr. David Čapek, vědecký pracovník Oddělení meziplanetární hmoty Astronomického ústavu AV ČR.
