физическая задача Челябинский метеор

[v_phi]

Как прекрасно видно на клипе с видеорегистратора под Костанаем (Казахстан) и вот на этих фрагментах кадров, выбранных с интервалом 1 секунда и совмещенных по горизонтали для компенсации поворота автомобиля, несшего видеорегистратор:

– ярко светящаяся сфера вокруг метеора:
1) имела центр, движущийся по треку метеора с космической скоростью (как пишут, сначала 17,5 км/с)
2) имела переменный радиус, увеличивающийся временами также с космической скоростью (иногда до половины скорости метеора)
3) оставалась именно сферой, даже при максимальном радиусе (около 13 км)
Легко объяснить огромный и мгновенный плазменный шар при ядерном / термоядерном взрыве: он создается вспышкой ионизирующего излучения при распаде тяжелых атомных ядер или слиянии легких.
А как создает себе плазменный шар метеор?

апдейт
апдейт-2 с сайта neo.jpl.nasa.gov
Момент вспышки максимальной яркости 15 Feb. 2013/03:20:33 GMT
в этот момент координаты 54.8 deg. N 61.1 deg. E высота 23.3 km скорость 18.6 km/s
Полная энергия метеора 440 ктонн тротила, из них излучено ~90 ктонн тротила = 3.75 x 10^14 джоулей

Comments

[http://users.livejournal.com/_shadow__/]

прямая ионизация не является единственным механизмом поглощения эм-излучения; там множество уровней-линий (в частности, если не изменяет память, для O2 уже переход электронов на разрыхляющую орбиталь - т.е. атомизация - около 5 ЭВ), соответственно ионизация может происходить ступенчато. К тому же я выше оценивал - пограничный слой болида при входе в атмосферу должен разогреваться до 50 000 К, т.е. да, интенсивно будет излучаться жесткий ультрафиолет на границе с рентгеном. Да и при 6000 К ультрафиолетового "хвоста" энергетического распределения хватит для интенсивной ионизации (и массы реакций между N и O; вспомните, как пахнет озоном-окислами вблизи любой УФ-лампы). Видимый диапазон - именно окно, выше 200 нм атмосфера поглощает весьма интенсивно; тем более возбуждение-диссоциация-ионизация при высоких плотностях энергии будет давать сильный нелинейный эффект, стремительный рост поглощения. Думаю, что при таких (~6000 K) температурах-плотностях излучения термодинамическое равновесие между атмосферой и излучением устанавливается достаточно быстро.

[pargentum.livejournal.com]

Что-то с ходу не нашел ваших оценок, у меня температура торможения (V^2/C_p) получилась в два с половиной раза больше, 130 000К. Похоже, кто-то из нас обсчитался. Атомизация (диссоциация молекул) при такой температуре, конечно же, будет происходить, но, как я понимаю, это процесс, конкурирующий с ионизацией за энергию, а потенциал ионизации атомарного кислорода даже несколько выше, чем у молекулярного.

В мягком ультрафиолетовом излучении никакой ионизации не происходит, только свободно-радикальные реакции с атомарным кислородом, причем, преимущественно, образование озона. Если бы от излучения температурой 6000К возникала сколько-нибудь заметная ионизация, это могло бы провоцировать электрический пробой - но я что-то ни разу не слышал, чтобы высоковольтное оборудование рекомендовали защищать от солнечного света или света дуговых прожекторов.

[http://users.livejournal.com/_shadow__/]

я оценивал из стефана-больцмана, полагая, что болид данной массы и скорости сбросил свою энергию за 10 секунд исключительно излучением (а больше нечем, полное испарение его массы даст где-то 5% требуемой величины). Максимум излучения при 50 000 К приходится на 60нм, тут уже и многоэлектронная ионизация не проблема.

ступенчатую ионизацию - последовательное многофотонное возбуждение, подъем по энергетическим уровням шаг за шагом - ничего запретить-отменить не может; просто - как для любой последовательной реакции - концентрация конечного продукта (плазмы) будет мала (лимитирующей стадией впрочем должен быть первый - самый большой -переход, с основного на первый возбужденный уровень, навскидку - половинка энергии ионизации, энергетику уровней атомов кислорода и азота я искать поленился). Но я подозреваю, что сечение захвата фотонов у молекулярного-атомарного кислорода-азота будет выше, чем у солнечного водорода. Тем более с учетом продуктов взаимодействия атомарных N и O, того же озона и NxOy.

для пробоя - цепного-лавинного процесса - нужна некоторая минимальная скорость образования - концентрация свободных ионов. А на уровне моря соответствующий 6000 К ультрафиолетовый хвост практически нацело отфильтрован. Соорудить же демонстрационную установку, в которой пробой будет инициироваться дуговым разрядом, уверен, очень несложно.

[pargentum.livejournal.com]

>я оценивал из стефана-больцмана, полагая, что болид данной массы и скорости сбросил свою энергию за 10 секунд исключительно излучением
В таком случае, наверное, уместнее говорить об исключительном совпадении оценок, :) потому что я исходил совсем из других соображений, а порядок величины сошелся.

>Максимум излучения при 50 000 К приходится на 60нм
А вот тут ваша оценка начинает противоречить самой себе. Если бы вокруг разогретой до 50 000К зоны образовался огненный шар с внешней равновесной температурой порядка 6000К, потери на излучение бы пропорционально снизились. Фактически, этот шар сработал бы как теплоизоляция. То есть ваша оценка 50 000К предполагает, что метеор излучал беспрепятственно, с пренебрежимо малым переизлучением в окружающем воздухе. То есть там, конечно, был нагрев газа, какая-то фотохимия, даже какая-то ионизация, может быть, даже достаточная, чтобы создать засветку на матрицах регистраторов, но никакого равновесного с излучением огненного шара там быть не могло.

>для пробоя - цепного-лавинного процесса - нужна некоторая минимальная скорость образования - концентрация свободных ионов.
Для установления равновесия с излучением в небольшом объеме нужна она же. QED?

[http://users.livejournal.com/_shadow__/]

Я рассматриваю модель, в которой систему следует представлять как ряд концентрических сфер, каждая из которых близка к термодинамическому равновесию с проходящим через нее излучением; плотность излучения, как положено, квадратично падает с расстоянием - а соответственно (по тому же Стефану-Больцану) падает температура (воздуха, и излучения) - слой-сфера воздуха поглощает излучение более горячей внутренней сферы и переизлучает в более холодную внешнюю; так до тех пор, пока плотность потока энергии и темрература не упадут до значений, не обеспечивающих достаточное поглощение излучения воздухом; по аналогии с фотосферой солнца, это и будет внешней видимой границей объекта. Поскольку плотность земного воздуха больше - я бы ожидал, что эта граница бкдет проходить не по 6000 К.. а, скажем, по 3000 ; ). Хотя с другой стороны - я ранее тоже упоминал -теплоемкость воздуха может уменьшить радиус границы, при снижении плотности излучения с расстоянием он не будет успевать прогреваться.

[pargentum.livejournal.com]

Для обсчета такой модели интеграл брать надо, и как бы не численный. Но мое рассуждение на пальцах остается: каждая равновесная слой-сфера излучает внутрь ровно столько же, сколько наружу, то есть работает как теплоизоляция.

И другое рассуждение на пальцах также остается верным: нет ножек, нет конфетки ионизации - нет теплового равновесия с излучением, поэтому, даже если огненный шар и будет, его граница должна иметь очень высокую температуру, порядка потенциала ионизации газов воздуха, то есть порядка 10 эВ, то есть порядка 100 000К, а дальше взаимодействие излучения с воздухом будет происходить неравновесно.

[http://users.livejournal.com/_shadow__/]

по-моему, вы забываете, что хотя солнечное излучение и имеет на орбите земли такую же термодинамическую температуру, как при своем рождении - но его плотность более чем в 10 000 раз меньше, чем на поверхности солнца - соответственно на гипотетической эквивалентной сфере в окрестности болида. Во столько же раз интенсивнее ионизация "ультрафиолетовым хвостом", чем на орбите земли. Можно из того же стефана-больцмана посчитать плотность ультрафиолета выше, скажем, 7 эв... нужно? по-моему, сам факт, что челябинцам не выжгло глаза жестким ультрафиолетом от 50 000K излучения ядра болида свидетельствует, что весь ультрафиолет успешно поглотился и переизлучился.

Плюс к этому - плазма не единственная эффективно поглощающая излучение газовая субстанция, Щелочных металлов в земной атмосфере мало, да, но и кислород с азотом водороду не эквивалентны, возбужденные атомарные N и O - и их комбинации - обладают гораздо более сложной системой энергетических уровней, чтобы дать шанс реализоваться необходимой для теплового равновесия с излучением высокой экстинкции и в неионизированном состоянии - либо ионизироваться по иным, многофотонным механизмам. Т.е. щелочные металлы - всего лишь катализатор фотохимического "потемнения" водорода - но у кислорода с азотом, вполне вероятно, найдутся свои трюки (включая очевидный трюк с озоном; а какого цвета бывают окислы азота - знаете?). Ну может получится не совсем черное тело, ну будет спектр полосатым, а эффективный радиус поглощения не 100 а 200 метров - качественно модель это не поломает.

сфера-слой не равновесная, а стационарная. Ваше утверждение эквивалентно утверждению невозможности теплопередачи вообще ; ) - "фотонный газ" ничем не отличается от обычного (кроме энергетического распределения - планк вместо больцмана), и в т.ч. точно так же имеет теплопроводность и способность передавать энергию в направлении градиента температуры.

к замечанию о неравновесности и конвекции на солнце - конвекция вроде бы означает означает только, что излучательная модель работает слишком хорошо, поверхность солнца "слишком черная" и излучает слишком много, больше, чем способно передать на него излучением "слишком холодное" для таких размеров ядро. Это создает градиенты температуры по вертикали, достаточные для возникновения нестационарностей; областям на поверхности становится выгодно, отдав порцию излучения и охладившись, провалиться-нырнуть в глубину чтобы там подогреться и вернуться.

[pargentum.livejournal.com]

>по-моему, сам факт, что челябинцам не выжгло глаза жестким ультрафиолетом от 50 000K излучения ядра болида свидетельствует, что весь ультрафиолет успешно поглотился и переизлучился.
Безусловно. Дискуссия немного о другом - вы, как я понимаю, утверждаете, что это произошло в термодинамически равновесном или близком к равновесию огненном шаре, а я утверждаю, что это произошло в довольно холодной толще атмосферы неравновесным образом, и, по большей части, переизлучения не произошло, просто воздух на высотах 15-20км слегка подогрелся.

>но и кислород с азотом водороду не эквивалентны, возбужденные атомарные N и O - и их комбинации - обладают гораздо более сложной системой энергетических уровней

Я что-то не могу с ходу найти справочника по энергетическим уровням атомов, но, если мне не изменяет склероз, первое возбужденное состояние у всех перечисленных атомов где-то в районе 10эВ. У молекул, конечно, есть низкоэнергетические колебательные состояния, но в обсуждаемом нами диапазоне температур молекулы, насколько я знаю, диссоциируют. То есть, чтобы возбудить атомарные азот с кислородом, нужна энергия того же порядка, что и для их ионизации. У уже возбужденных атомов бывают всякие там межуровневые переходы и тонкие структуры, но чтобы эти состояния появились, атом нужно вывести из базового состояния. Поэтому возможность многофотонной ионизации снизит температуру стационарной границы огненного шара процентов на 20. Но никак не сможет ее довести до 6000К.

Вопрос не в том, могут ли передавать энергию фотоны и есть ли у них температура, а в том, могут ли они эффективно обмениваться энергией с нейтральным газом. Я по прежнему утверждаю, что если газ - это смесь кислорода и азота, это могут только фотоны с температурами порядка больших десятков тысяч кельвин.

А также вопрос (точнее, мое утверждение) в том, что если они ею таки обмениваются, то слой газа, где это происходит, становится теплоизолятором.

[http://users.livejournal.com/_shadow__/]

50 000 К - это максимум излучения на 60 нм, 20 электроновольт вроде. Такой фотон может двигаться только до первого столкновения с атомом.

сама диссоциация является эффективным механизмом обмена энергией между излучением и газом; энергия будет диссипировать при последующих актах ассоциации, AB <=> A+B ничем не отличается от H(e-) <=> H + e-. Вопрос исключительно в плотности спектральных линий - непрерывности спектра и сечении захвата фотонов - правилах отбора. Водород как очень простая и симметричная структура в отношении и первого, и второго максимально невыгоден, уже первый переход s1 -> s2 у него запрещен, у атомарного кислорода же сразу пара неспаренных электронов, какие уж там запреты, и в сочетнании с многовариантностью системы N-O там таакой забор линий будет.. конкретика конечно не помешала бы, но под руку ничего не попадается - да и все может быть столь же нетривиально, как следы щелочных металлов в солнечной короне. Я просто - интуитивно - не вижу ничего удивительного в "потемнении" смеси азот-кислород-вода-CO2-многочего при температурах окрестности 6000 К - и тем более выше.