¿Por qué explotan los meteoros?

Los meteoritos vienen en una amplia gama de tamaños, desde motas de polvo hasta rocas de muchos kilómetros de ancho. Explosiones como la del meteorito de Chelyabinsk solo se encuentran meteoros que tienen un tamaño mayor a unos pocos metros pero menor a un kilómetro.

Aunque los detalles son discutidos interminablemente por aquellos que estudian tales fenómenos (es muy difícil obtener buenos datos cuando no se sabe cuándo/dónde ocurrirá el próximo meteoro), la siguiente descripción cualitativa transmite muchas de las ideas importantes.

La idea básica es que la enorme velocidad de entrada a la atmósfera (del orden de$15\ \mathrm{km/s}$) somete al objeto a mucha tensión. El viento de frente ejerce una gran presión frente a él, con una presión comparativamente pequeña detrás o a los lados. Si la presión aumenta demasiado, el meteoro se fragmentará y las piezas se distribuirán lateralmente. Esto se conoce como el "efecto panqueque".

Como resultado, la colección de piezas más pequeñas tiene un área de superficie frontal más grande, lo que provoca que se acumulen aún más tensiones. En muy poco tiempo, una cascada de fragmentación descontrolada desintegra el meteorito, depositando gran parte de su energía cinética en el aire de una sola vez.

Esto se discute en [1] en relación con el evento de Tunguska. Ese documento también proporciona algunas ecuaciones importantes que rigen este proceso. En particular, la fuerza de arrastre tiene una magnitud

$$F_\mathrm{drag} = \frac{1}{2} C_\mathrm{D} \rho_\mathrm{air} A v^2,$$ dónde $C_\mathrm{D} \sim 1$es el coeficiente de arrastre geométrico, $\rho_\mathrm{air}$es la densidad del aire, $A$es el área de la sección transversal del meteoro, y $v$es su velocidad. Además, el cambio de masa debido a la ablación es $$\dot{m}_\text{ablation} = -\frac{1}{2Q} C_\mathrm{H} \rho_\mathrm{air} A v^3,$$ dónde $Q$es el calor de ablación (similar al calor de vaporización) del material y $C_\mathrm{H}$es el coeficiente de transferencia de calor. Dado que la tasa de pérdida de masa escala como $A \sim m^{2/3}$, sublinealmente con la masa, los objetos más pequeños se extirparán por completo más rápido, lo que establece un límite inferior en el tamaño de un meteorito que puede sufrir una fragmentación catastrófica antes de ser extirpado con calma.

Los meteoritos que son demasiado grandes, por otro lado, cruzarán la profundidad de la atmósfera y chocarán contra el suelo antes de que una onda de presión (que viaja a la velocidad del sonido en el sólido) pueda llegar desde el frente hasta la parte posterior del objeto. . Simplemente no hay tiempo para que ocurra la fragmentación inducida por la presión de todo el objeto, lo que significa que la energía cinética no se disipa hasta que todo el cuerpo se estrella contra la Tierra.

[1] Chyba et al. 1993. "La explosión de Tunguska de 1908: interrupción atmosférica de un asteroide pedregoso". ( enlace , PDF )

Recuerda que los meteoroides son objetos celestes. A estas escalas, es bastante común que las velocidades relativas sean extremadamente grandes.

Cuando un objeto tan rápido entra en la atmósfera de la Tierra, el aire lo frena debido a su viscosidad. Sin embargo, el meteoro se está moviendo muy, muy rápido. A diferencia de la mayoría de los objetos que caen, no tiene la oportunidad de alcanzar la velocidad terminal.

Con el meteoro moviéndose a esta velocidad, se genera mucho calor (compresión, así como fricción/viscosidad). Esto hierve el meteoro (muchos meteoros contienen hielo o hielo seco), lo que provoca un aumento de la presión. Si la ebullición ocurre demasiado rápido, el meteorito explotará.

Airburst, creo, se llama.

Un artículo en wired.com cubre exactamente esta pregunta

la roca ya iba muy rápido cuando entró en la atmósfera terrestre. No hay forma de que el aire lo lleve a la velocidad terminal, simplemente no había suficiente distancia para una roca tan grande. Pero esta resistencia del aire es esencialmente la razón por la que explota.

Algunas de estas piezas de Ruskeor son de color azul. Estas son las piezas que interactúan con el aire. Entonces, el aire empuja estas piezas frontales para frenarlas, pero ¿cómo frena el resto de la roca? Simple, las piezas azules empujan a las otras piezas. Entonces, en cierto modo, esta roca está siendo triturada. Aplastado porque la fuerza de resistencia del aire empuja sobre el frente, pero no sobre el resto de la roca.

El autor eligió llamar al meteoro 'Ruskeor' ya que era un meteoro sobre Rusia.

El artículo al que se hace referencia proporciona los cálculos si está interesado.

Sospecho que hay múltiples fenomenologías involucradas, pero para una pila de agregados unidos gravitacionalmente, no hay mucha cohesión. Por lo tanto, es posible que la presión dinámica de entrada sea lo suficientemente alta como para causar el comportamiento de "panqueque" descrito anteriormente.

Pero sospecho que hay otra forma de que los objetos más cohesivos "exploten". Es casi seguro que el centro de presión de una roca aleatoria no está alineado ni "delante" del centro de masa a lo largo de la dirección de vuelo, por lo que surgirán pares que (incluso en períodos cortos) tenderán a rotar el objeto. Si los pares son lo suficientemente altos y la inercia lo suficientemente pequeña, la velocidad de rotación acumulada superará la resistencia de los materiales y el objeto se desmoronará. Esto parece poco probable para objetos muy grandes que no giran lo suficientemente rápido y objetos muy pequeños que son relativamente fuertes. Pero en el medio hay una clase de objeto débil de tamaño apropiado donde la ruptura probablemente se puede atribuir a la velocidad de rotación y la fuerza centrífuga.