Мы рассмотрели различные формы дробления метеороидов в атмосфере Земли. Теперь можно составить классификацию этих форм (табл. 31), более полную, чем классификация Б. Ю. Левина [148], приведенная в § 34 Таблица 31. Классификация форм дробления метеороидов Тип*) В С и S р Рш Форма дробления
Пульверизация Распыление Характерный размер тела, см 102-И Ю-ИО"1 lO-f-KT1 102^10"! lO-i-f-KT3 ю^-ио-* Размер осколков, см 10-=-10"1 1Ч-10"2 -10"2 ю-2~10-3 10-2-И(Г4 Ю-4-И0-5 Механизм Механическое дробление метеоритов по границам структурных элементов. Дробление рыхлых метеороидов на части и на структурные зерна. Квазинепрерывное отделение частиц с поверхности. Сбрасывание капель расплавленной пленки, застывающих в шарики и колбочки. Дробление расплавленных капель. Дробление мелких метеороидов на зерна субмикронных размеров. *) Для обозначения типов дробления выбраны начальные буквы английских слов breaking, crumbling, husking, spraying, pulverization, powdering тождественных русским названиям, приведенным во втором столбце. и имеющая чисто феноменологический характер. Преобладание того или иного типа дробления зависит от .структуры и размеров метеороида, а также, по-видимому, от скорости входа в атмосферу. Железные метеороиды, входя в достаточно плотные слои атмосферы (на участке перехода к интенсивному испарению), испытывают дробление типов S и Р, т, е. 386 ГЛ. VII. ДРОБЛЕНИЕ МЕТЕОРОИДОВ у них происходит сбрасывание пленки расплава в виде капель с последующим дроблением отделившихся капель. Эти капли, застывая, образуют шарики, колбочки и другие сферические частицы, шлейф которых можно проследить иногда далеко назад вдоль проекции траектории метеорита на земную поверхность. В нижних слоях атмосферы (на высоте порядка 10км) железный метеорит испытывает дробление типа В. Плотные каменные метеороиды в верхней части пути испытывают преимущественно дробление типа // (шелушение). На средних высотах (десятки километров) они могут раскалываться на части (тип В), причем, как показывает анализ фактических данных (§ 40), это происходит неоднократно. Рыхлые метеороиды крупнее 10~3 г также в течение большей части полета испытывают дробление типа Я, а затем С1 или С2. Более мелкие метеороиды на больших высотах могут распыляться (тип Pw), порождая мельчайшие субмикронные частицы. Вполне возможно, что такие частицы отделяются и от более крупных тел. Рассмотрим теперь физические аспекты всех видов дробления. Начнем с процесса раскалывания железных метеоритов. В кристаллической структура железа, никеля и других металлов всегда существуют дефекты, в частности, линейные дефекты, называемые дислокациями. Благодаря наличию дислокаций, под действием сильных нагрузок (в данном случае — аэродинамического давления) тело метеороида испытывает пластические деформации, в ходе которых скопления дислокаций образуют микротрещины с характерными размерами 10~3 -г-10~4 см [187]. Далее происходит подрастание и накопление микротрещин и образуются макротрещины, на которых и происходит разрыв. Наличие дислокаций и микротрещин понижает прочность металла. Еще более способствует разрыву наличие, помимо общего давления, факторов, приводящих к поперечному сдвигу. Такими факторами являются большие градиенты компонент вектора скорости обтекания и неправильности формы метеорита, создающие неравномерность напряжений. Как показали эксперименты Т. Я. Гораздовского [701, приложение касательного напряжения при наличии сильного всестороннего давления может привести к § 41. ФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ДРОБЛЕНИЯ МЕТЕОРОИДОВ 387 взрывоподобному дроблению образца, причем часть вещества образца вылетает в форме мелких пылинок размерами — 10 мкм. Такое явление называется реологическим взрывом. Было замечено, что взрыв наступал при достижений определенного критического значения касательных напряжений. Хотя эксперименты Т. Я. Гораз- довского проводились не на металлах, а на разнообразных поликристаллических веществах (мрамор, базальт, уголь и др.), не было замечено каких-либо вариаций хода явления в зависимости от Вида вещества. Эти эксперименты показывают, что вероятность взрывоподобного дробления возрастает с ростом напряжений, т. е. в нижних слоях атмосферы. В ходе описанных экспериментов паблюдался ряд сопутствующих явлений: свечение в фиолетовом и ультрафиолетовом диапазонах, появление жесткой радиации с о длиной волны Я ^ 0,5 А, трибоэлектричество (электризация при трении, в данном случае — при взаимном трении вылетающих частиц). Эти явления представляют большой интерес в свете того, что говорилось в § 26 о кальциевой аномалии при вспышках метеоров, для объяснения наблюдений усиления коротковолнового излучения при вспышках [209], а также для понимания обширного комплекса явлений, сопровождавших взрыв Тунгусского метеорита. Близким к вышеописанному является и механизм дробления типа С (крошение камепных метеороидов), с той лишь разницей, что они имеют гораздо менее однородное строение, меньшую прочность и включения аморфных компонент, что облегчает процесс дробления. Поля напряжений становятся неоднородными, а градиенты напряжений оказывают сильное влияние на величину предельного напряжения и ориентацию поверхностей разрушения. Чаще всего сдвиговое разрушение развивается в плоскости, образующей угол в 45° к направлению максимального главного напряжения. Однако этот угол, вообще говоря, ие постоянен, а зависит от величины прилагаемых нагрузок [174]. Чем крупнее тело, тем больше для него вероятность дробления. ч Рассмотрим теперь процесс шелушения (тип Я), механизм которого состоит в аэродинамическом отрыве частиц с краевых зон метеороида. Как известно [210а], каса- 388 ГЛ. VII. ДРОБЛЕНИЕ МЕТЕОРОИДОВ тельные напряжения для большинства минералов на порядок меньше, чем сжимающие напряжения. В частности, для тела из бронзита массой в 1 г, по данным Б. Болдуина и И. Шеффер [269], касательное напряжение ot = = 2 • 108 дин/см2, тогда как сжимающее ос=2 • 109 дин/см2. Представим себе сферическое тело в свободно-молекулярном потоке газа. Отделение частиц будет происходить не со всей лобовой поверхности тела, а с краевой зоны, где создадутся достаточные касательные напряжения. Ее площадь будет равна Si = 2nRAR, (41.1) где R — радиус тела, АД — ширина проекции пояса, откуда отделяются частицы, на плоскость, перпендикулярную к потоку. Пусть этот пояс ограничен позиционным углом Эр Тогда £1 = ^ = 2(1-8^90. (41.2) Угол 0i определяется из условия sinG! = ^f (41.3) где i;Kp — критическая тангенциальная скорость, достаточная для отрыва частиц при выполнении условия 1р^кр=а(. (41.4) Можно предполагать, в соответствии со сказанным выше, что скорость потери массы за счет «шелушения» определяется формулой, аналогичной формуле (3.2), где Есв— энергия связи частиц («зерен»), иначе говоря, энергия, необходимая для отрыва частиц от тела, рассчитанная на единицу массы, Д — коэффициент, аналогичный Л в (3.2). Тогда отпошение скорости потери массы за счет шелушения и испарения выразится так: § 41. ФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ДРОБЛЕНИЯ МЕТЕОРОИДОВ 389 Из (41.6) следует, что г|) должно расти с г;, даже если считать, что Есъ от v не зависит. В действительности Ec* не постоянна, она падает с ростом температуры, а температура краевой зоны должна расти с ростом v, поскольку при этом резко возрастает перенос тепла. В результате £'св также падает с ростом и, что еще более увеличивает зависимость о|> от скорости. Идея этого механизма (правда, не в связи с шелушением, а с дроблением вообще) была высказана еще Э. Эпиком в 1958 г. [428]. Скоростная зависимость интенсивности дробления при данном механизме позволяет объяснить и рассмотренную в § 20 фиктивную зависимость тЫ, полученную Ф. Вер- пиани [479]. Явление разбрызгивания (срыв капель расплавленной пленки, тип S) качественно рассматривалось в § 13. Как показано в § 9, почти у всех каменных метеороидов (при v > 14 км/с) и у быстрых железных (при v > 30 км/с) происходит кипение пленки расплава и срыв капелек для них маловероятен. Но у медленных железных метеороидов он возможен. К сожалению, теоретическое решение задачи о течении жидкой пленки вблизи точки срыва наталкивается на большие трудности, решение становится неустойчивым. Испарение с поверхности расплава, оттесняя набегающий поток и пограничный слой, уменьшает трение, и наоборот, уменьшение испарения приводит к усилению трения и может даже привести к увеличению общего уноса массы за счет жидкой фазы [4]. Поскольку при малых радиусах затупления градиент давления больше, унос массы в жидкой фазе сильнее проявляется у малых тел (но не настолько малых, чтобы проплавиться насквозь). Этому способствует и еще одно обстоятельство: при большом радиусе закругления большая часть вещества пленки испаряется, не успев достигнуть критического пояса, где начинается сброс пленки и ее разбрызгивание, тогда как при малом радиусе на достижение этого пояса требуется столь мало времени, что испарение не успевает существенно уменьшить массу рассматриваемого элемента пленки. В работе [177] приводятся результаты экспериментов, в которых изучалось плавление моделей с R = 0,7 см из сплавов Вуда и Розе, выстреливавшихся со скоростью 300 1\JI. VII. ДРОБЛЕНИЕ МЕТЕОРОНДОВ 2 км/с в воздух при нормальном давлений*). Часть моделей приводилась во вращение вокруг оси, совпадающей с направлением полета. На фотографиях (рис. 87) хорошо виден срыв капель и образуемый ими хвост. На невра- щающихся моделях пленка расплава стекает с задней кромки и затягивается в донную область. На вращающихся моделях срыв капель происходит гораздо интенсивнее под действием центробежной силы. Кроме капель Рис. 87. Унос дгассы с плавящихся моделей (по Палкпну и др.). заметен и пылевой след, срыв которого начинается в районе 8 = 50°. Поскольку пылевой след наблюдался и у моделей из сплава Розе (температура испарения которого, 1732 °С, вдвое выше, чем у сплава Вуда), несомненно, что пылинки отрываются в твердом состоянии, а не конденсируются потом из газа. Таким образом, даже у легкоплавких сплавов наряду с разбрызгиванием происходит и шелушение. Анализируя результаты экспериментов С. Н. Палкина и его соавторов [177], необходимо отметить следующее. Скорость уноса массы получшгась примерно вдвое больше, чем следует из теоретических соображений для R = 0,7 см. Объяснить это шелушением нельзя, так как тогда получился бы слишком высокий для данных материалов коэффициент механического уноса. Авторы работы [177] отме- *) Сплав Вуда—легкоплавкий- сплав, содержащий 50% висмута, 25% свинца, по 12,5% олова и кадмия. Температура плавления 68 °С. Сплав Розе состоит из 50% висмута, 27,1% свинца и 22,9% олова. § 41. ФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ДРОБЛЕНИЯ МЕТЕОРОИДОВ 391 чают, что число Рейнольдса превышало критическое значение Re = 150 (для условий эксперимента) и течение пленки при 0 > 16° было не ламинарным, а турбулентным. С такой возможностью приходится считаться и в случае железных метеороидов. С другой стороны, в экспериментах группы Палкина скорость набегающего потока была слишком мала, чтобы вызвать интенсивное испарение и последнее слабо влияло на оплавление и унос пленки.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Физические аспекты дробления метеороидов» з дисципліни «Фізика метеоритних явищ»
