К обоснованности панкейк-моделей падений космических тел в атмосфере

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Рассматриваются опубликованные в литературе полуаналитические панкейк-модели, в которых предполагается, что малопрочное, раздробленное тело, подобное жидкости, расширяется в процессе полета в атмосфере и, сохраняя некоторую простую форму и увеличивая площадь поперечного сечения, тормозится на гораздо больших высотах, чем прочное тело. Отдельные модели различаются между собой темпом увеличения поперечного размера тела. Для сравнения с моделями проведены гидродинамические моделирования падений жидких тел диаметром 40 м в атмосфере Земли без учета абляции. Такие тела, прежде чем начать существенно тормозиться, распадаются на фрагменты. В отличие от простых моделей, пока тело сохраняет связность, оно может принимать весьма искаженные формы. Сравнение панкейк-моделей с результатами гидродинамического моделирования позволяет определить наиболее подходящие модели для оценок поведения астероидов в атмосфере и оценить заложенные в них предположения. При гидродинамическом моделировании с учетом абляции, как показывают результаты, опубликованные в других работах, сначала может происходить полное испарение тела и, лишь затем, торможение струи пара. В панкейк-моделях полное испарение означает исчезновение массы и полную остановку движения. Теоретическое обоснование этих моделей нуждается в пересмотре.

Full Text

Restricted Access

About the authors

В. В. Светцов

Институт динамики геосфер им. М.А. Садовского РАН

Author for correspondence.
Email: svetsov@idg.ras.ru
Russian Federation, Москва

References

  1. Брагин М.Д., Брыкина И.Г. О моделировании энерговыделения фрагментированного метеороида в атмосфере // Изв. РАН. Механика жидкости и газа. 2021. № 4. С. 114–124.
  2. Брыкина И.Г. О модели фрагментации крупного метеороида: моделирование взаимодействия Челябинского метеороида с атмосферой // Астрон. вестн. 2018. Т. 52. № 5. С. 437–446. (Brykina I.G. Large meteoroid fragmentation: Modeling the interaction of the Chelyabinsk meteoroid with the atmosphere // Sol. Syst. Res. 2018. V. 52. № 5. P. 426–434.)
  3. Григорян С.С. О движении и разрушении метеоритов в атмосферах планет // Космич. исслед. 1979. Т. 17. № 6. С. 875–893.
  4. Григорян С.С. О столкновении кометы Шумейкеров–Леви-9 с Юпитером в июле 1994 года // Докл. РАН. 1994. T. 338. № 6. C. 752–754.
  5. Григорян С.С., Ибодов Ф.С., Ибадов С.И. Челябинский суперболид: к физике взрыва // Астрон. вестн. 2013. Т. 47. № 4. С. 292–298. (Grigoryan S.S., Ibodov F.S., Ibadov S.I. Physical mechanism of Chelyabinsk superbolide explosion // Sol. Syst. Res. 2013. V. 47. № 4. P. 268–274.)
  6. Иванов Б.А. Удары космических тел как геологический фактор // Катастрофические воздействия космических тел / Ред.: Адушкин В.В., Немчинов И.В. М.: ИКЦ “Академкнига”, 2005. С. 118–150.
  7. Мелош Г. Образование ударных кратеров: геологический процесс. М.: Мир, 1994. 336 с.
  8. Подобная Е.Д., Попова О.П., Глазачев Д.О. Эллипсы рассеяния для недавно образованных кластеров на Марсе // Динамич. процессы в геосферах. 2020. Т. 12. С. 89–98.
  9. Шувалов В.В., Трубецкая И.А. Гигантские болиды в атмосфере Земли // Астрон. вестн. 2007. Т. 41. № 3. С. 241–251. (Shuvalov V.V., Trubetskaya I.A. Aerial bursts in the terrestrial atmosphere // Sol. Syst. Res. 2007. V. 41. № 3. P. 220–230.)
  10. Шувалов В.В., Трубецкая И.А. Влияние внутреннего трения на деформацию метеороида // Астрон. вестн. 2010. Т. 44. № 2. С. 117–122. (Shuvalov V.V., Trubetskaya I.A. The influence of internal friction on the deformation of a damaged meteoroid // Sol. Syst. Res. 2010. V. 44. № 2. P. 104–109.)
  11. Шувалов В.В., Светцов В.В., Трубецкая И.А. Оценка размера зоны разрушений, производимых на поверхности Земли ударами астероидов размером 10–300 метров // Астрон. вестн. 2013. Т. 47. № 4. С. 284–281. (Shuvalov V.V., Svetsov V.V., Trubetskaya I.A. An estimate for the size of the area of damage of the Earth’s surface after impacts of 10–300-m asteroids // Sol. Syst. Res. 2013. V. 47. № 4. P. 260–267.)
  12. Шувалов В.В., Попова О.П., Светцов В.В., Трубецкая И.А., Глазачев Д.О. Определение высоты метеорного взрыва // Астрон. вестн. 2016. Т. 50. № 1. С. 3–14. (Shuvalov V.V., Popova O.P., Svetsov V.V., Trubetskaya I.A., Glazachev D.O. Determination of the height of the “meteoric explosion” // Sol. Syst. Res. 2016. V. 50. № 1. P. 1–12.)
  13. Шувалов В.В. Численное моделирование торможения астероидов в атмосфере Венеры // Динамич. процессы в геосферах. 2022. Т. 14. № 2. С. 92–98.
  14. Шувалов В.В., Иванов Б.А. Трехмерное моделирование торможения астероидов в атмосфере Венеры // Динамич. процессы в геосферах. 2023. Т. 15. № 1. С. 54–62.
  15. Ahrens T.J., Takata T., O’Keefe J.D. Impact of Comet Shoemaker-Levy 9 on Jupiter // Geophys. Res. Lett. 1994. V. 21. № 11. P. 1087–1090.
  16. Artemieva N.A., Shuvalov V.V. Motion of a fragmented meteoroid through the planetary atmosphere // J. Geophys. Res. 2001. V. 106. № E2. P. 3297–3309.
  17. Artemieva N.A., Shuvalov V.V. From Tunguska to Chelyabinsk via Jupiter // Ann. Rev. Earth and Planet. Sci. 2016. V. 44. P. 37–56.
  18. Avramenko M.I., Glazyrin I.V., Ionov G.V., Karpeev A.V. Simulation of the airwave caused by the Chelyabinsk superbolide // J. Geophys. Res.: Atmospheres. 2014. V. 119. P. 7035–7050.
  19. Borovička J., Popova O., Spurný P. The Maribo CM2 meteorite fall–Survival of weak material at highentry speed // Meteorit. and Planet. Sci. 2019. V. 54. P. 1024–1041.
  20. Boslough M.B., Crawford D.A., Robinson A.C., Trucano T.G. Mass and penetration depth of Shoemaker-Levy 9 fragments from time-resolved photometry // Geophys. Res. Lett. 1994. V. 21. № 14. P. 1555–1558.
  21. Brown P.G., Assink J.D., Astiz L., Blaauw R., Boslough M.B., Borovička J., Brachet N., Brown D., Campbell-Brown M., Ceranna L., and 23 co-authors. A 500-kiloton airburst over Chelyabinsk and an enhanced hazard from small impactors // Nature. 2013. V. 503. P. 238–241.
  22. Brykina I.G., Bragin M.D. On models of meteoroid disruption into the cloud of fragments // Planet. and Space Sci. 2020. V. 187. Id. 104942.
  23. Chyba C.F., Thomas P.J., Zahnle K.J. The 1908 Tunguska explosion: atmospheric disruption of a stony asteroid // Nature. 1993. V. 361. № 6407. P. 40–44.
  24. Collins G.S., Lynch E., McAdam R., Davison T.M. A numerical assessment of simple airblast models of impact airbursts // Meteorit. and Planet. Sci. 2017. V. 52. P. 1542–1560.
  25. Crawford D.A., Boslough M.B., Trucano T.G., Robinson A.C. The impact of Comet Shoemaker-Levy 9 on Jupiter // Shock Waves. 1994. V. 4. № 1. P. 47–50.
  26. Field G.B., Ferrara A. The behavior of fragments of comet Shoemaker-Levy 9 in the atmosphere of Jupiter // Astron. J. 1995. V. 438. P. 957–967.
  27. Hébert D., Rullier J.-L., Chevalier J.-M., Bertron I., Lescoute E., Virot F., El-Rabii H. Investigation of mechanisms leading to water drop breakup at Mach 4.4 and Weber numbers above 10 5 // SN Appl. Sci. 2020. V. 2. № 1. Id. A69.
  28. Hills J.H., Goda M.H. The fragmentation of small asteroids in the atmosphere // Astron. J. 1993. V. 105. № 3. P. 1114–1144.
  29. Ivanov B.A., Basilevsky A.T., Neukum G. Atmospheric entry of large meteoroids: Implication to Titan // Planet. and Space Sci. 1997. V. 45. № 8. P. 993–1007.
  30. Ivanov B.A., Deutsch A. Sudbury impact event: Cratering mechanics and thermal history // Large meteorite impacts and planetary evolution II / Eds: Dressler B.O., Sharpton V.L. Geol. Soc. Am. Sp. Pap. 1999. V. 339. P. 389–397.
  31. Korycansky D.G, Zahnle K.J., MacLow M-M. High-resolution simulations of the impacts of asteroids into the Venusian atmosphere II: 3D models // Icarus. 2002. V. 157. № 1. P. 1–23.
  32. Korycansky D.G., Zahnle K.J. High-resolution simulations of the impacts of asteroids into the Venusian atmosphere III: further 3D models // Icarus. 2003. V. 161. № 2. P. 244–261.
  33. McMullan S., Collins G.S. Uncertainty quantification in continuous fragmentation airburst models // Icarus. 2019. V. 327. P. 19–35.
  34. Melosh H.J., Ivanov B.A. Impact crater collapse // Ann. Rev. Earth and Planet. Sci. 1999. V. 27. P. 385–425.
  35. Popova O.P., Jenniskens P., Emel V., Kartashova A., Biryukov E., Khaibrakhmanov S., Shuvalov V., Rybnov Y., Dudorov A., Grokhovcky V.I., and 49 co-authors. Chelyabinsk airburst, damage assessment, meteorite recovery, and characterization // Science. 2013. V. 342. P. 1069–1073.
  36. Register P.J., Mathias D.L., Wheeler L.F. Asteroid fragmentation approaches for modeling atmospheric energy deposition // Icarus. 2017. V. 284. P. 157–166.
  37. Sharma S., Singh A.P., Rao S.S., Kumar A., Basu S. Shock induced aerobreakup of a droplet // J. Fluid Mech. 2021. V. 929. Id. A27. (32 p.)
  38. Shuvalov V.V. Multi-dimensional hydrodynamic code SOVA for interfacial flows: Application to thermal layer effect // Shock Waves. 1999. V. 9. № 6. P. 381–390.
  39. Shuvalov V.V., Artem’eva N.A., Kosarev I.B. 3D hydrodynamic code SOVA for multimaterial flows, application to Shoemaker-Levy 9 comet impact problem // Int. J. Impact Engineering. 1999. V. 23. P. 847–858.
  40. Shuvalov V.V., Artemieva N.A. Numerical modeling of Tunguska-like impacts // Planet. and Space Sci. 2002. V. 50. P. 181–192.
  41. Shuvalov V., Svetsov V., Popova O., Glazachev D. Numerical model of the Chelyabinsk meteoroid as a strengthless object // Planet. and Space Sci. 2017. V. 147. P. 38–47.
  42. Svetsov V.V., Nemtchinov I.V., Teterev A.V. Disintegration of large meteoroids in Earth’s atmosphere: Theoretical models // Icarus. 1995. V. 116. P. 131–153.
  43. Zahnle K.J. Airburst origin of dark shadows on Venus // J. Geophys. Res. 1992. V. 97. № E6. P. 10243–10255.
  44. Zahnle K.J., MacLow M-M. The collision of Jupiter and comet Shoemaker-Levy 9 // Icarus. 1994. V. 108. P. 1–17.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. The destruction of a spherical asteroid with a diameter of 40 m, which entered the atmosphere at a speed of 20 km/s at an angle of 45° to the Earth's surface and broke up at an altitude of 50 km. The density distributions are shown in the coordinate system associated with the asteroid. The asteroid's substance is shown in black. The heights of fall h are indicated in each fragment of the figure.

Download (205KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Destruction of a spheroid-shaped asteroid that entered the atmosphere at a speed of 20 km/s at an angle of 45° to the Earth’s surface and broke up at an altitude of 50 km.

Download (189KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. The destruction of an asteroid in the form of an infinite cylinder with a diameter of 40 m, which entered the atmosphere at a speed of 20 km/s at an angle of 45° to the Earth’s surface and broke up at an altitude of 50 km.

Download (216KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Dependence of the velocity of an asteroid with an initial diameter of 40 m, divided by the initial velocity, in the case of a spherical body (thick solid curve) and in the form of an infinite cylinder (dashed curve). The thin solid curve shows the dependence of the velocity of the asteroid from the work (Shuvalov, Trubetskaya, 2010) taking into account evaporation and in the absence of friction.

Download (73KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Comparison of the velocity divided by the initial entry velocity and kinetic energy losses between different pancake models. The thick curve is the result of hydrodynamic modeling. Thin curves refer to the models: A – (Avramenko et al., 2014), B – (Brykina, 2018), C – (Chyba et al., 1993), G – (Grigoryan et al., 2013), H – (Hills, Goda, 1993).

Download (157KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Comparison of the radius of a body or swarm of fragments divided by the initial radius of the asteroid between different pancake models. The thick curve is the result of hydrodynamic modeling. Thin lines refer to the models: A – (Avramenko et al., 2014), B – (Brykina, 2018), C – (Chyba et al., 1993), G – (Grigoryan et al., 2013), H – (Hills, Goda, 1993).

Download (90KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Comparison of the kinetic energy and the diameter of a body or swarm of fragments, divided by the initial diameter of the asteroid, for the case of an asteroid with a diameter of 1.5 km falling at a speed of 20 km/s at an angle of 45° in the atmosphere of Venus. Thick curves are the results of hydrodynamic modeling from the article (Shuvalov, Ivanov, 2023); solid line – in three-dimensional geometry, dashed line – in two-dimensional axisymmetric geometry. Thin lines refer to pancake models: A – (Avramenko et al., 2014); B – (Brykina, 2018); C – (Chyba et al., 1993); G – (Grigoryan et al., 2013); H – (Hills, Goda, 1993).

Download (156KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 The Russian Academy of Sciences