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__/]

вещество метеорита испаряется-разбрызгивается (скорость разлета может быть сопоставима со скоростным напором воздуха - т.е. та же космическая), ну и возможно воздух разогревается ударной волной и излучением раскаленного ядра. сфера - ну мы видим проекцию под некоторым углом объекта, у которого , фронтальая проекция - окружность, это естественно, а осевая - передний фонт вышеуказанные процессы, задний - вещество остывает; т.е. веществно сферы не следует за метеоритом, форма обусловлена динамикой испарения-охлаждения.

[v-phi.livejournal.com]

вещество сферы не следует за метеоритом
Соглашусь. Трудно представить 25-км воздушный шар, летящий со скоростью 10 км/с сквозь атмосферу :)

осевая проекция - передний фонт: вышеуказанные процессы, задний - вещество остывает
Соглашусь. Легко предположить мгновенный нагрев и мгновенное остывание светящейся плазмы при уходе источника возбуждения; в конце концов теплоемкость воздуха ничтожна по сравнению с мощностью излучения.

вещество метеорита испаряется-разбрызгивается, скорость разлета космическая
Не согласен. При всего лишь космической скорости разлета кусочков метеорита, пусть даже сферически симметричного разлета, с учетом движения ядра метеора область разлета не будет шаром: как минимум, вытянется вдоль траектории метеора.

воздух разогревается ударной волной
Сомневаюсь в ударной волне со скоростью 10 км/с и мистической способностью отдавать энергию воздуху; и все равно не выйдет сферы, см. предыдущее возражение

воздух разогревается излучением раскаленного ядра
Желательно уточнить: О каком излучении идет речь?
Гипотеза об ионизирующем излучении ядерных реакций, т.е. гипотеза о высотном термоядерном взрыве, т.е. по сути гипотеза о не вполне удачной ядерной бомбардировке Челябинска при помощи некоей запущенной с запада Сибири ракеты, уже высказана в тексте задачи (привет Жириновскому).

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

"вещество метеорита разбрызгивается.." - конечно, будет получаться не сфера, а цилиндр; но наблюдаться будет раскаленная-светящаяся "свежая" область; близкими к сфере будут изотермы охлажения.

излучением - конечно сугубо тепловым излкчением ядра, разогретого "трением о воздух"; температуру можно оценить - но лень (надо взять размер метеорита, плотность энергии на его поверхности и формулу излучения черного тела как функцию от температуры) - если уж в Челябинске люди говорили, что почувствовали тепло ; )

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

нагрев среды прохождения ударной волной- не мистика, а реальный физический процесс, там происходит адиабатическое сжатие с соответствующими эффектами. Я не копенгаген в физике взрыва, но, насколько представляю, фронт детонации обусловлен именно ударной волной. Но долю оного в модели рассматриваемого процесса оценить не возьмусь (хотя в принципе оценка вроде вполне возможна).

[v-phi.livejournal.com]

близкими к сфере будут изотермы охлажения
Не согласен. При сопоставимых скоростях (1) центра разбрызгивания и (2) разбрызгивания, сферы не получится, во всякому случае, сферы переменного радиуса с центром, скользящим по траектории метеора.

излучением - конечно сугубо тепловым
И каков механизм превращения теплового излучения в световое в воздушной среде?

[v-phi.livejournal.com]

слово мистика беру назад.
Однако для сохранения сферической формы светящейся плазмы несмотря на движение центра и колебания радиуса нужна скорость, бесконечно большая по сравнению со скоростью метеора, т.е. хотя бы 200 км/с, причем во всем диапазоне высот (от 20 до 80 км), и сферически симметричное удаление от центра, когда образование плазмы прекращается, в том же диапазоне высот в атмосфере..
По-моему, для воздуха это фантастика.

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

сферы может и не получиться (нужно считать); объект, имеющий при данном угле наблюдения поекцию, близкую к окружности - может получится.

про "тепловое излучение" и чем оно отличается от светового - вопрос не понял; можно конечно посчитать температуру, которую должна иметь пверхность метеорита, чтобы сбрасывать свою тепловую нагрузку излучением и где максимум спектра - но в любом случае прилегающий воздух поглощает и переизлучает оное, т.е. находится более-менее (чем дальше - тем меньше) в равновесии с излучением.

[v-phi.livejournal.com]

объект, имеющий при данном угле наблюдения поекцию, близкую к окружности
Грубо говоря, метеор шел на запад, а автомобиль на север; угол траектории с горизонталью на видео 30 градусов, по публиковавшимся расчетам около 20 градусов. Т.е. на этом видео луч зрения приблизительно перпендикулярен траектории, что как раз благоприятно для обнаружения ожидаемой вытянутости вдоль траектории.

чем "тепловое излучение" отличается от светового
Одно из значений этого термина - инфракрасное излучение.

можно конечно посчитать температуру
Судя по цвету плазменного шара и его краев, температура плазмы близка к температуре поверхности солнца (6000 градусов, максимум излучения приходится на видимую части электро-магнитного спектра), края красноватые. Хотя неочевидно, насколько понятие температуры применимо к разогреву-охлаждению плазмы, когда равновесие между процессами мало напоминает тепловое равновесие в обычном смысле, т.е. равномерное распределение энергии по всем степеням свободы всех микрочастиц макросистемы.
Тем более трудно говорить о "температуре" разрушающегося ядра метеора.

прилегающий воздух поглощает и переизлучает
Как бы речь о "тепловом" ультрафиолете и рентгене из ядра, которые поглощаются воздухом, нагревают его до 6000 градусов, и полученная плазма переизлучает в видимом и инфракрасном диапазоне.
Соглашусь, но добавлю, что молекулы воды (а также кристаллики льда), окно прозрачности которых примерно равно видимой части спектра, поглощают не только ультрафиолет, но и инфракрасный свет. Я бы не удивился, если бы при высокой мощности инфракрасного освещения имел бы заметную мощность процесс столкновения возбужденных молекул воды друг с другом с выделением уже не инфракрасного фотона, а видимого.

[pargentum.livejournal.com]

Судя по тому, что тени от вспышки метеорита имеют резкие края, основной источник света был довольно маленьким по угловым размерам. Круговая засветка на матрице камеры может объясняться особенностями устройства оптики и самой матрицы: пикселы, которым достается слишком много света, или которые просто перегрелись, расположены по кругу вокруг основного источника, а сам источник в этой засветке просто не виден.

Также, при оценке температуры по цвету вспышки я бы тоже не сильно полагался на картинки с видеорегистраторов: видно, что пикселы вышли на полное насыщение и показывают белый цвет, но ореол вокруг красноватый, и засветка на снимках с направленных на землю стационарных камер тоже красноватая, так что температура, наверное, была существенно ниже 6000 градусов.

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

"Я бы не удивился, если бы при высокой мощности инфракрасного освещения имел бы заметную мощность процесс столкновения возбужденных молекул воды друг с другом с выделением уже не инфракрасного фотона, а видимого." - я бы удивился; этот процесс запрещен термодинамически, ибо тепловое излучение тоже имеет температуру, и тоже не может передавать теплоту от менее горячего тела к более горячему. Да, микроволновым излкчением можно нагреть предмет докрасна - т.е. до энергий фотонов много выше, чем у этого излучения, но исключительно потому, что оное формируется "нетепловым", неравновесным источником.

Но в даном случае речь об ИК можно не вести; я таки поиграл с цифирьками - получилось, что чтобы тело диаметром 10 метров сбросило излучением за 10 секунд ранее означенную энергию - его поверхность должна иметь температуру ок. 50 000 кельвинов, максимум излучения при этом будет на 60 нм - т.е. довольно жесткий уже ультрафиолет. Соответственно с земли наблюдалось именно не излучение ядра, а свечение нагретой этим излучением "короны".

[v-phi.livejournal.com]

тени от вспышки метеорита имеют резкие края
Возражаю. Имеются видеоклипы из Челябинска, где резкие тени возникают в начале, когда плазменный шар маленький (диаметр 5 км) и далеко (150 км), так что его угловой размер в небе всего 4 градуса; спустя 4-6 секунд сцену заливает яркий свет, в котором теней не видно.

Круговая засветка на матрице камеры
Возражаю. Если бы на данном, костанайском клипе пикселы камеры теряли работоспособность хотя бы на пару кадров, светящийся круг приобретал бы какую-то вытянутость вдоль траектории метеора и отчасти по горизонтали из-за плавного поворота машины; имеем же точные круги, лишь меняется от кадра к кадру положение центра и радиус круга. Другое дело некоторые челябинские клипы, там действительно примерно с 3-й секунды метеор приобретает ослепительный "хвост" временно травмированных участков сенсорной матрицы.

пикселы вышли на полное насыщение и показывают белый цвет
Соглашусь. Известно, что зашкаливающая яркость портит передачу цвета. То ли на сенсорной матрице ниже слоя мозаичных цветных светофильтров часть фотонов иногда отражается и попадает не в тот RGB субпиксел, то ли очень большой заряд в приборе с зарядовой связью отчасти перебегает к соседям, то ли разработчик камеры специально хотел увеличить гамут по шкале яркости ценой сужения гамута по цветности, но факт: очень яркие цветные лампы на снимке выцветают. Возможно, все плазменные шары челябинского метеора были на самом деле красноваты, и белы просто потому, что слишком яркие. Даже на снимках хорошей камерой жуткое выцветание, даже у свидетелей с их слов тот же эффект. Увы.

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

если я не промахнулся с формулами - расклад по равновесным температурам на некотором расстоянии от ядра получается такой:

100 м - 16 000 К - 190 нм
1000 м - 5000 К - 600 нм (почти солнышко)
10 000 м - 1600 К - 1800 нм (озеро расплавленной стали)
правда, этот расчет не принимает во внимание теплоемкость среды, а она кубически растет с расстоянием - и наверняка оценка даже на 1 км существенно завышена, среда не успеет прогреться.

[pargentum.livejournal.com]

На тех клипах направленных на землю камер наблюдения, которые мне доводилось видеть, на пике яркости либо идет общая засветка, в которой вообще нихрена не видно, не только теней, либо наоборот, тени остаются вполне четкими.

Если пикселы теряли работоспособность на один кадр, то как раз и будет круглая засветка. Кстати, перебегание зарядов на ПЗС как раз лучше объясняет круглую засветку, чем нагрев.

[pargentum.livejournal.com]

ЗЫ на большинстве кадров из Челябинска, засветка на пике яркости вообще на полнеба и вовсе не круглая.

[v-phi.livejournal.com]

10 секунд - преувеличение, главная вспышка занимала 3-4 секунды.
Диаметр 10 метров - преуменьшение, потому что мы точно знаем, что компактная металлическая болванка долетела бы до земли на своей космической скорости. Видимо, мини-астероид рассыпался в песок и щебень, увеличив поверхность в 10-1000 раз.
Я бы попытался строить оценки так. Известно, что из-за наличия молекул водяного пара (и кристалликов льда) окно прозрачности воздуха довольно узкое, примерно совпадает с видимым светом. Энергия пытается убежать из области метеора, но воздух работает изолятором. Возникает плазменный шар такого размера, что через его поверхность энергия все-таки убегает. При этом плазменный шар в диапазоне, в котором излучает, совершенно непрозрачный при любой плотности воздуха, хоть на высоте 20 км, хоть на 80 км, поэтому он такой идеально круглый.

[v-phi.livejournal.com]

please, найдите какую-нибудь видеозапись с тенями, четкими даже в момент главной вспышки.

[pargentum.livejournal.com]

https://www.youtube.com/watch?v=Qin41lP9r2U

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

про "энергию, которая пытается убежать" и про изолятор не понял; в состоянии термодинамического равновесия неважно, поглощает вещество или пропускает излучение; поглощать оно может только до тех пор, пока его энергетические уровни, лежащие "ниже" излучения, не заполнены - а после заполнения оных оно излучает ровно столько, сколько поглощает - или, иными словами, находится в термодинамическом равновесии с излучением. Воздух да, будет в значительной степени ионизирован и представлять собой плазму - но такая - термодинамически равновесная - плазма - никакими особыми свойствами не обладает (точнее, из-за наличия свободных зарядов и как следствие высокой и равномерной по спектру оптической плотности она должна быть гораздо лучшей моделью абсолютно черного тела, чем воздух), это у "холодной", неравновесной есть специфика, затрудняющая ее термодинамическое описание.
С точки зрения равновесной термодинамики всегда можно рассматривать только шар такого диаметра, чтобы он включал в себя все фрагменты тела, абстрагируясь от его внутренней структуры (в т.ч. степени фрагментированности; фрагментирование только приближает тело к абсолютно черному - поэтому сажа и является такой хорошей его моделью). Если видимый размер раскаленного шара составлял тысячи метров - то не так важно, что творилось внутри него; видимо, основной вклад в перенос энергии играло тепловое (в смысле близкое к термодинамически равновесному, описываемое моделью черного тела) излучение - но и ударная волна, и конвекция (в т.ч. перенос масс самого тела) какой-то вклад вносили.

[v-phi.livejournal.com]

вклад конвекции, ударной волны и, там, сильно отклонившихся песчинок - это вклад, нарушающий мгновенные плазменные сферы идеальной симметричности и с центрами на траектории метеора.
IMHO для объяснения сферической симметричности нужен переносчик энергии, который вдобавок не связан со свойствами воздуха (плотность воздуха драматически зависит от высоты над землей; к тому же по воздуху не могут распространяться волны со скоростью, бесконечно большой по сравнению со скоростью метеора).
Таким переносчиком могли бы быть частицы с ограниченным временем жизни (так создается сфера в некоторых типах ракет для фейерверка). Там, нейтроны; но тогда это гипотеза-ядерного-взрыва-привет-Жириновскому.
Таким переносчиком могли бы быть частицы, чуткие к плотности своего потока, скажем, из-за электростатического отталкивания друг от друга. Там, электроны (но могут ли электроны пролететь 13 км через воздух?), ну пусть наоборот протоны или более тяжелые ионы, по каким-то причинам вблизи метеора образующие несинхронные - по отношению к ионам противоположного знака - фронты разлетания; но тогда электро-магнитный импульс будет совершенно фантастический.
В общем, я в растерянности. Шерлок Холмс говорил, что если случай невероятный, не допускающий ни одной гипотезы, то это случай легкий: посмотрим повнимательнее, гипотеза найдется. Ну-ну.

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

я не понимаю, чем вас не устраивает электромагнитное излучение. Интенсивность излучения - четвертая степень от температуры, температура - функция от плотности потока энергии на единицу площади, обратный квадрат от расстояния до центра, поэтому граница светящейся области будет выглядеть весьма четко очерченной и сферической.

кстати там есть еще одна естественная граница - граница области ионизации, или плазмы, которую опять же определяет температура. Сильно ионизированный газ эффективно поглощает излучение во всем спектре и практически непрозрачен, зато и излучает столь же эффективно.

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

кстати стальная болванка вполне имеет шансы не долететь; энтальпия испарения железа - 350 кдж/моль, или 6.4 Мдж/кг; такую же удельную энергию будет иметь тело, движущееся со скоростью 3.6 км/с, т.е. ниже первой космической. У оксидов энтальпия испарения побольше, но порядок тот же; если скорость метеорита была впятеро выше - он нес с собой достаточно энергии, чтобы испариться два с лишним десятка раз ; ) - спасти его могла только низкая теплопроводность вкупе с интенсивным тепловым излучением.

[v-phi.livejournal.com]

насколько я понял, это вебкамера на 6-этажном доме улица Свободы, 110, Советский район, Челябинск.
55.143982,61.414327
Смотрит на юг.
Вид с высоты 20 метров, прохожий виден на расстоянии 30 метров, 1 пиксел = 10 см, тень от 3-этажного дома рядом с прохожим кажется четкой, это угловой размер источника света в пределах 10 см / 10 м = 0,01 радиана = 0,6 градуса, примерно как у солнечного диска.
Теней от солнца еще нет, не встало; а то можно было бы сравнить.

Правда, в 09:20:32-04 и соседних кадрах тень от дома все-таки размывается (а от прохожего - нет); значит, самый яркий и близкий источник света не был точечным.

[v-phi.livejournal.com]

Вы зачем меня путаете, я и сам запутаюсь.
Речь шла не о том, что в железном астероиде мало кинетической энергии, а о том, что атмосфера такой не остановит (если это 1 тонна или, тем более, 10 тысяч тонн).

[v-phi.livejournal.com]

не понимаю. С какой стати поток фотонов через непрозрачное вещество низкой теплоемкости должен остывать, вплоть до температуры, делающей воздух прозрачным, по мере удаления от центра и снижения плотности потока энергии?
Если же речь об убегании энергии в нагрев воздуха в пределах шара, то как возможна симметрия при различной плотности воздуха на разных высотах.

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

распространение электромагнитной энергии через вещество вполне себе подчиняется законам термодинамики; среду можно представить в виде концентрических материальных сфер, в которых сосредоточены соответствующие массы-теплоемкости, и обмен энергией между которыми осуществляется излучением. Мы можем рассматривать модель как неравновесную (каждая внешняя сфера холоднее внутренней), но на малых временах стационарную. Т.е. через все сферы проходит одинаковый поток энергии (теплоемкость считаем малой, да), но поскольку площадь каждой следующей сферы чуть больше - ее температура, необходимая для обеспечения этого потока, чуть меньше. Каждая сфера поглощает фотоны от внутренней, за счет этого разогревается - и сама начинает излучать, нагревая внешнюю по отношению к себе. Очевидно, что каждая следующая будет чуть холоднее - и соответственно "холоднее" испускаемые ей фотоны.