Výzkumy v ASU AV ČR (201): Fragmentace bolidů v první polovině atmosférické dráhy

Průlety jasných bolidů patří k těm astronomickým úkazům, nad jejichž spatřením zaplesá i srdce naprostého laika. Spatřit jasnou padající hvězdu, za níž se táhne dlouhá pomalu se rozplývající stopa, není jen tak. Přitom málokdo z laiků ví, že „padající hvězdy“ jsou důsledkem masivní fragmentace obvykle velmi malého kosmického tělesa.

Fragmentace bolidů byla jasně dokumentována v mnoha případech. V minulosti byl začátek fragmentace obvykle určován buď geometricky, kdy na fotografiích byly identifikovány trasy jednotlivých fragmentů, nebo dynamicky, a to použitím fragmentačního modelu k popisu dynamiky a světelné křivky. Tyto tři klasické metody byly doplněny videopozorováním, na nichž je v záznamu fragmentace přímo patrná. Každopádně platí, že obecně k fragmentaci dochází v okamžiku, kdy dynamický tlak atmosféry přesáhne některou z mezí pevnosti meteoroidu. Těchto mezí může být hned několik. Jedna, vlastní pevnost materiálu, odpovídá skutečné pevnosti monolitické horniny. Bolidy se ale typicky rozpadají při mnohem menších pevnostech. To kvůli tomu, že v tělesech se typicky nacházejí praskliny, které celkovou pevnost velmi účinně snižují. Obvyklé hodnoty fragmentačních mezí jsou od pár desetin po několik jednotek megapascalů. Mezi známými hodnotami se ale občas vyskytují i hodnoty výrazně menší, kolem 0,03 MPa. Tyto pevnosti byly zaznamenány při fragmentacích v první polovině atmosférické trajektorie bolidu. A právě tato kritická fáze rozpadu vesmírného vetřelce se stala centrem výzkumu pracovníků Oddělení meziplanetární hmoty ASU pod vedením Lukáše Shrbeného.

Autoři těží z dlouhodobého projektu založeného na rutinním vícestaničním pozorování bolidů v rámci české části Evropské bolidové sítě. Každá ze stanice je vybavena digitální autonomní pozorovací stanicí DAFO, z nichž lze pro každý významný bolid zkonstruovat jeho atmosférickou i meziplanetární trajektorii. Na stanicích v Ondřejově a Kunžaku jsou instrumenty doplněny 14 původně bezpečnostními IP kamerami, které pokrývají celou oblohu. Tyto kamery poskytují nezkreslený pohled na časový vývoj bolidu. Postupný rozpad je ale patrný i z dohledových kamer na stanicích bolidové sítě a také z přístrojů FIPS (Fireball Intelligent Positioning System), což je dvojice pevné celooblohové monitorovací a rychle pohyblivé kamery s užším zorným polem, jejímž cílem je bolid během přeletu oblohou sledovat.

Jedním ze základních projevů fragmentace je vznik ionizované stopy za tělesem. Všechny bolidy vypadají v této fázi velmi podobně. Bodový meteor postupně zjasňuje a za ním vzniká kapkovitá struktura – stopa (wake), která se pohybuje společně s meteoroidem v jeho těsné blízkosti. Ta posléze vyhasne. Za ionizovanou stopou často vzniká i déletrvající stopa, často nesouvislá, která se s bolidem již nepohybuje, zůstává za ním (a po chvíli pohasne).

Autoři velmi podrobně prozkoumali osm vícestaničně kvalitně zachycených bolidů a studovali vlastnosti jejich stopy. Pro každý z bolidů měřili na jednotlivých snímkách dva kritické body: střed hlavy bolidu a poslední bod stopy. Vzdálenost mezi těmito dvěma body pak reprezentuje délku stopy. Délka stopy byla pak porovnávána s dalšími určenými vlastnostmi bolidů.

Ve výsledkách se objevily očekávatelné logické souvislosti. Například pokud se stopa objevila blíže k počátku bolidu, znamenalo to, že se nachází výše v atmosféře. Podobně bylo potvrzeno, že čím rychleji meteoroid do atmosféry vstupuje, tím výše se započne jeho rozpad. Autoři poukázali ale i na překvapivé souvislosti, které z analýzy ovšem jednoznačně vyplynuly. Např. není na první pohled jasné, proč by měla maximální pozorovaná délka stopy souviset se vzdáleností, jakou bolid urazil od počátku do místa vzniku stopy. Dále by se očekávalo, že křehčí materiál bude postupně rozptylován do delší stopy. To se však pro jevy v první polovině vzdušné trajektorie nepotvrdilo.

Dynamické tlaky odpovídající počátkům vzniku stopy dosahují velmi malých hodnot mezi 0,004 a 0,062 MPa. To jsou velmi malé hodnoty, jejichž bližší prozkoumání zasluhovalo další úsilí.

Autoři oněch osm vybraných pádů modelovali s pomocí semiempirického fragmentačního modelu, jehož autorem je Jiří Borovička, jeden ze spoluautorů článku. Tento model je především určen k popisu světelné křivky bolidu a je založen na optimalizované kombinaci jednotlivých příspěvků od tří typů těles. Jednak od běžných fragmentů, které se dále vypařují až do další fragmentace, erodujících fragmentů, z nichž unikají z povrchu malé částice, které se vzápětí odpařují, a z prachu. Kombinací určitého počtu příspěvků těchto tří typů lze obvykle velmi přesvědčivě vystihnout světelnou křivku bolidu.

Z výpočtů vyplývá, že pro uvažovanou osmici bolidů byly erodující fragmenty dominantním způsobem fragmentace. Na základě fragmentačního modelu bylo možné i teoreticky předpovědět vlastnosti stopy bolidů. Teoretické předpovědi ovšem nebyly úplně v souladu s hodnotami určenými z měření. Teoretická délka stopy byla vždy menší než délka stopy změřená. Tento rozpor vysvětlují autoři dvěma možnými efekty. Jednak je možné, že model stopy byl předčasně useknut. Anebo se zde pozorovatelně uplatňují efekty nezahrnuté ve fragmentačním modelu, například přítomnost plynu nebo fragmentace již erodovaných fragmentů.

Celkově vzato se dá říci, že výšky první fragmentace bolidů odpovídají výškám, v nichž se poprvé objevují jejich ionizované stopy. Odpovídající nízká pevnost materiálu je podle autorů zřejmě důsledkem dlouhodobého vystavení povrchů těles působení kosmického záření, tedy procesu tzv. kosmického zvětrávání. Ukazuje se, že některá tělesa meziplanetární hmoty jsou vlastně hromadami suti (rubble piles) drženými pohromadě slabými silami s očekávanou pevností v tahu pouhých 25 Pa. Pokud je však povrch takového tělesa vystaven slunečnímu záření a slunečnímu větru, mohou se k sobě na povrchu jednotlivá zrnka sutě připéci, čímž vzroste zdánlivá pevnost tělesa na hodnoty popisované v práci. Autoři zmiňují, že tento předpoklad by mělo být možné ověřit studiem vzorků odebraných z povrchu planetky Itokawa. 

Práce je především motivací pro zlepšení používaného fragmentačního modelu započtením jevů, které nebyly dosud považovány za důležité. Výsledky modelu doposud velmi přesvědčivě vystihovaly světelné křivky bolidů. Započtením uvažovaných jevů by se mohla zlepšit i předpovědní schopnost vlastností ionizovaných stop. 

REFERENCE

L. Shrbený, P. Spurný, J. Borovička, Fireball fragmentation in the first half of the atmospheric trajectory, Planetary and Space Science  187 (2020), article id. 104956.

KONTAKT

Mgr. Lukáš Shrbený, Ph.D.
lukas.shrbeny@asu.cas.cz
Oddělení meziplanetární hmoty Astronomického ústavu AV ČR

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] http://www.asu.cas.cz/cz/veda-a-vyzkum/vedecka-oddeleni/oddeleni-mph

Převzato: Astronomický ústav AV ČR, v.v.i.