Реферат: Метеориты и их происхождение

Выполнил студент гр. ЭиУ-265

Кучкин М.Ю.

Проверил доцент каф «ФизХим»

Тепляков Ю.Н.

Челябинск, 2009

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение	3
§1. Физические явления, вызываемые метеороидными телами в земной атмосфере	5
§2. О метеоритных кратерах и о других последствиях падений метеоритов	7
§3. О составе метеоритного вещества, падающего на земную поверхность	8
§4. Хондриты	9
§5. Дифференцированные метеориты	13
§6. О некоторых важнейших физико-химических методах исследований метеоритов и их результатах	16
§7. Структура метеоритного вещества и ее связь с происхождением метеоритов	19
§8. Обломки других планет?	21
§9. Случаи падения метеоритов на территории России	23
Заключение	25
Список литературы	26
Приложение 1. Отдельные метеориты	27
Приложение 2. Как узнать метеорит	30

Введение

Наша планета с момента своего образования и до наших дней, в течение уже около 5 млрд. лет, при движении вокруг Солнца испытывает столкновения с разными космическими телами. Тела, размеры которых заключены в пределах от 10-8 см (атом или молекула) и примерно до нескольких сотен метров, принято называть метеороидами. Когда они влетают в земную атмосферу, то из-за трения нагреваются до белого каления и плавления, оставляя за собой светящиеся следы. Согласно научной терминологии эти явления называют метеорами или болидами (в зависимости от масштаба явления), а в народе их часто называют "падающими звездами". Иногда можно наблюдать метеорный дождь - захватывающее зрелище массового или даже одновременного входа в атмосферу метеороидов, движущихся по параллельным траекториям. Если видимые пути метеоров метеорного дождя продолжить назад, то они пересекутся вблизи одной точки неба, называемой радиантом метеорного потока. В отличие от метеорного дождя, метеорным потоком называют массовое появление метеоров примерно в одной и той же области неба в течение некоторого промежутка времени (например, в течение нескольких ночей). Многие метеорные потоки можно наблюдать периодически, в одни и те же месяцы в течение года, на фоне одного и того же созвездия. На этом основании метеорным потокам присваивают названия, образованные от латинских имен тех созвездий, в которых лежат их радианты. Весьма известны такие "звездопады", как Персеиды (в августе), Леониды (в ноябре) и некоторые другие. Например, поток Леонид, наблюдающийся в районе созвездия Льва, известен с 902 г. В разделе "Кометы" говорилось о том, что абсолютное большинство метеорных потоков образовалось в результате распада ядер комет, растерявших самые летучие соединения при неоднократных сближениях с Солнцем. Поэтому в названиях некоторых метеорных потоков используют имена тех комет, с которыми, как было установлено, они связаны (Биэлиды, Джакобиниды и т. п.).

Как справедливо писал в 1819 г. известный химик Петербургской Академии Иван Мухин, "начало преданий о низпадающих из воздуха камнях и железных глыбах теряется в глубочайшем мраке веков протекших". Например, до наших дней сохранились сведения, что Анаксагор и другие древнегреческие мыслители считали метеориты обломками небесной тверди. Это в принципе правильное представление продержалось только до тех пор, пока люди еще верили в существование небесной тверди. В дальнейшем на достаточно длинное время его сменили совершенно другие идеи, которые объясняли происхождение метеоритов любыми причинами, но только не небесными. Но метеориты были известны и за многие сотни и тысячи лет до этого. Известен целый ряд находок орудий первобытных людей, сделанных из метеоритного железа. При случайных находках метеоритного вещества люди едва ли догадывались о его особом происхождении. Исключение лишь составляли находки "небесных камней" сразу после неожиданных и грандиозных зрелищ их падения. Тогда метеориты становились предметами культового или религиозного поклонения. О них слагали легенды, их описывали в летописях, боялись и даже приковывали цепями, чтобы они снова не улетели на небо. проникают в земную атмосферу.

Основы научной меоритики были заложены Эрнстом Хладни, уже достаточно известным к тому времени немецким физиком-акустиком. По совету своего друга, тоже физика Г.Х. Лихтенберга, он занялся сбором и изучением подробных описаний болидов и сравнением этой информации с той, что была известна о найденных камнях. На основе этого исследования Хладни в 1794 г. издал книгу под названием "О происхождении найденной Палласом и других подобных ей железных масс и о некоторых связанных с этим явлениях природы". В этой книге, в частности, обсуждался факт находки в 1772 г. академиком Петербургской академии наук Петром Палласом во время его экспедиции в Сибирь загадочной массы "самородного железа". Масса была обнаружена еще в 1749 г. местным кузнецом Яковом Медведевым и весила более 600 кг. Ее анализ показал, что она состоит из смеси железа с каменистыми включениями и представляет собой редкий тип метеоритов. По имени Палласа метеориты этого типа были названы палласитами. В этой книге и других публикациях Хладни убедительно показал, что Палласово железо и многие другие камни, "упавшие с неба", имеют космическое происхождение.

§1. Физические явления, вызываемые метеороидными телами в земной атмосфере

При входе метеороидного тела в земную атмосферу происходит много интересных явлений, о которых мы только упомянем. Скорость любого космического тела всегда превышает 11,2 км/с и может достигать в земных окрестностях 40 км/с при ее произвольном направлении. Линейная скорость движения Земли при движении вокруг Солнца в среднем составляет 30 км/с, поэтому максимальная скорость столкновения метеороида с земной атмосферой может достигать примерно 70 км/с (на встречных траекториях). Вначале тело вступает во взаимодействие с очень разреженной верхней атмосферой, где расстояния между молекулами газа больше его диаметра. Очевидно, взаимодействия с молекулами верхней атмосферы практически не влияют на скорость и состояние достаточно массивного тела. Но если масса тела мала (сравнима с массой молекулы или на 2-3 порядка ее превышает), то оно может полностью затормозиться уже в верхних слоях атмосферы и будет медленно оседать к земной поверхности под действием силы тяжести. Оказывается, что таким путем, то есть в виде пыли, на Землю выпадает львиная часть твердого космического вещества. Уже подсчитано, что ежедневно на Землю поступает от 100 до 1000 т внеземного вещества, но только 1% от этого количества представлено большими обломками, имеющими возможность долететь до ее поверхности. На движущееся достаточно большое тело действуют три основные силы: торможения, гравитации и выталкивания (Архимедова сила), которые и определяют его траекторию движения. Эффективное торможение наиболее крупных объектов начинается только в плотных слоях атмосферы, на высотах менее 100 км. Движение метеороида, как и любого твердого тела в газовой среде с высокой скоростью, характеризуется числом Маха - отношением скорости тела к скорости звука. Это число на разных высотах полета метеороида бывает разным, но часто превышающим 50. Перед метеороидом образуется ударная волна в виде сильно сжатых и разогретых атмосферных газов. Поверхность самого тела в результате взаимодействия с ними нагревается до плавления и испарения. Набегающие газовые струи разбрызгивают и уносят расплавленный (а иногда и твердый раздробленный) материал с его поверхности. Этот процесс называется абляцией. Раскаленные газы за фронтом ударной волны, а также капельки и частички вещества, уносимые с поверхности тела, светятся и создают явление метеора или болида. При достаточно большой массе тела возникновение болида сопровождается иногда не только ярким свечением, но и разными звуковыми эффектами (громкий хлопок, как при переходе самолетом сверхзвукового барьера, раскаты грома, шипение и т. п.). Если масса тела не слишком мала и не очень велика, а его скорость находится в диапазоне от 11 км/с до 22 км/с (это возможно на "догоняющих" Землю траекториях), то оно успевает затормозиться в атмосфере еще не сгорев. После чего метеороид движется с такой скоростью, при которой абляция уже не эффективна, и может в неизменном виде долететь до земной поверхности. Если масса тела не очень велика, то продолжается дальнейшее уменьшение его скорости до тех пор, пока сила сопротивления воздуха не сравняется с силой тяжести, и начинается его почти вертикальное падение со скоростью 50-150 м/с. С такими скоростями на Землю упало большинство метеоритов. При большой массе метеороид не успевает ни сгореть, ни сильно затормозиться и сталкивается с поверхностью с космической скоростью. В этом случае происходит взрыв, вызванный переходом большой кинетической энергии тела в тепловую, механическую и другие виды энергии, а на земной поверхности образуется взрывной кратер. В результате значительная часть метеорита и подверженной удару земной поверхности плавится и испаряется.

Достаточно часто наблюдается выпадение метеоритных дождей. Они образуются из фрагментов, разрушающихся при падении метеороидов. Наиболее наглядным примером является Сихоте-Алиньский метеоритный дождь. Как показывают расчеты, при снижении твердого тела в плотных слоях земной атмосферы на него действуют огромные аэродинамические нагрузки. Например, для тела, движущегося со скоростью 20 км/с разность давлений на его фронтальную и тыльную поверхности меняется от 100 атм. на высоте 30 км до 1000 атм. на высоте 15 км. Такие нагрузки способны разрушить абсолютное большинство падающих тел. Только наиболее прочные монолитные металлические или каменные метеориты способны их выдержать и долететь до земной поверхности. Сейчас созданы так называемые болидные сети - множество наблюдательных пунктов или обсерваторий, оборудованных специальной техникой, позволяющей осуществлять регистрацию падающих метеороидов и слежение за ними, изучать возникающие при этом явления и оперативно определять координаты возможных падений метеоритов. Они созданы в США, Канаде, Англии, Западной Европе и России и охватывают территории примерно по 106 кв. км.

§2. О метеоритных кратерах и о других последствиях падений метеоритов

Из приведенных описаний метеоритных событий видно, что падения на Землю наиболее крупных метеороидных тел создают опасность для людей и всего, что ими создано, а также земной флоры и фауны. Более того, катастрофические явления, подобные тем, что наблюдались при падении Тунгусского тела, могут создать угрозу всей человеческой цивилизации. Конечно, это может произойти при столкновении с достаточно большим телом, типа астероида или ядра кометы. Земная поверхность хранит многие следы столкновений с крупными космическими телами в виде кратеров больших размеров - так называемых "астроблем" (или "звездных ран"). На сегодняшний день их обнаружено более 230. Размеры самых крупных из них превышают 200 км . Один из наиболее хорошо сохранившихся кратеров (по причине его относительно "молодого" возраста) - это "Каньон дьявола", находящийся в штате Аризона в США. Его диаметр 1240 м, а глубина - 170 м. В 1906 г. геолог Д. Барринджер доказал, что этот кратер имеет ударное происхождение, а не какое-либо еще. При исследованиях кратера было обнаружено около 12 т метеоритного вещества и было установлено, что он возник при падении на Землю примерно 50 тыс. лет назад железо-никелевого метеорита с размером около 60 м, двигавшегося со скоростью 20 км/с.

На земной поверхности практически не осталось древних кратеров с размером менее 1 км по причине постоянной атмосферной и водной эрозии. Значительно больше кратеров по сравнению с земной поверхностью, мы можем наблюдать на Луне и других планетах и их спутниках с более разреженной атмосферой или лишенных ее вообще (Луне, Меркурии, Марсе и др.). Как показывают расчеты, в течение первых 100 млн. лет после своего образования Земля должна была "вычерпать" практически все твердое вещество, двигавшееся в ближайших окрестностях ее орбиты. Однако Земля и сейчас продолжает встречать на своем пути пыль, камни и даже глыбы километровых размеров. Откуда же они берутся? Ответим на этот вопрос чуть ниже, после изложения сведений о составе и структуре метеоритного вещества.

§3. О составе метеоритного вещества, падающего на земную поверхность

Во всем упавшем на землю метеоритном веществе примерно 92% составляют каменные метеориты, 6% - железные и 2% - железо-каменные. Атмосфера является первым "фильтром", через который проходит все падающее на Землю метеоритное вещество. Чем более оно тугоплавкое и прочное, тем больше у него "шансов" попасть на земную поверхность. Еще одним "фильтром" можно назвать селекцию метеоритов при их находках. Очевидно, что любой метеорит тем легче найти на земной поверхности, чем более необычен его внешний вид на фоне земной поверхности. Тридцать лет назад японские ученые неожиданно обнаружили, что наилучшим местом для поиска метеоритов является Антарктида, покрытая большой толщей полярных льдов. Прежде всего, метеориты легко обнаружить на фоне белого льда. И кроме того, метеориты, упавшие на этот континент многие сотни и даже тысячи лет назад, лучше сохраняются в антарктических льдах. В то же время метеориты, оказавшиеся в других местах земной поверхности, подвергаются действию атмосферного выветривания, водной эрозии и других разрушающих факторов и либо разлагаются, либо оказываются погребенными.

Основными компонентами метеоритного вещества являются железо-магнезиальные силикаты и никелистое железо. Иногда бывают обильны и сульфиды железа (троилит и др.). Распространенные минералы, входящие в силикаты метеоритного вещества, - это оливины (Fe, Mg)2SiO4 (от фаялита Fe2SiO4 до форстерита Mg2SiO4) и пироксены (Fe, Mg)SiO3 (от ферросилита FeSiO3 до энстатита MgSiO3) разного состава. Они присутствуют в силикатах либо в виде мелких кристаллов или в виде стекла, либо как смесь с разными пропорциями. На сегодняшний день в метеоритном веществе обнаружено около 300 разных минералов. И хотя их количество в процессе исследований новых метеоритов постепенно увеличивается, но все равно более чем на порядок уступает числу известных земных минералов.

§4. Хондриты

Наиболее многочисленные каменные метеориты делятся на две большие группы: хондриты и ахондриты. Хондриты получили свое название из-за наличия в них необычных включений сферической или эллиптической формы - хондр - на более темном фоне, который называется матрицей. Хондры можно видеть на поверхности разлома метеорита, но лучше всего они заметны на полированной поверхности его распила. Размеры хондр могут быть различны - от микроскопических до сантиметровых. Занимаемый ими объем иногда достигает 50% объема метеорита. И хондры и матрица практически не отличаются по составу и состоят в основном из мелкокристаллических железо-магнезиальных силикатов и стекол. Однако по структуре хондры все же состоят в основном из кристаллического вещества. На этом основании некоторыми учеными высказывается идея о кристаллизации хондр из расплава. Содержание никелистого железа в хондритах не превышает 30%, и присутствует оно в виде мелких частиц неправильной или сферической формы. В целом вещество хондритов сравнительно плотное (от 2 до 3,7 г/см3), хотя и хрупкое. Достаточно лишь небольшого усилия для того, чтобы раскрошить в руках хондритовый метеорит. Удивительно то, что хондры до сих пор обнаружены только в метеоритах. Их происхождение пока остается загадкой, поскольку неизвестны механизмы их возникновения. Другой важной особенностью хондритов является их предельно простой элементный состав. Если не учитывать самые летучие элементы (H, He, O и некоторые другие), то получается, что состав хондритов очень близок к элементному составу Солнца. Причем такая близость прослеживается не только по основным элементам, но и по примесным, также являющимися важными геохимическими индикаторами. Примесные элементы делятся на три группы: литофильные (Se, Sr, Rb, Ba, Ce, Cs, Th, U и др.), халькофильные (Cu, Zn, Sn, Pb, Ag, Hg, Cd, In и др.) и сидерофильные (Ga, Ge, Ru, Pt, Pd, Os, Ir, Rh и др.), которые обнаруживают сродство с минералами, богатыми кислородом, серой и железом соответственно. В частности, горные породы Земли, прошедшие магматическую дифференциацию, содержат в основном литофильные примесные элементы. Халькофильные элементы встречаются на земной поверхности только в ограниченных областях рудных месторождений, а сидерофильные практически отсутствуют. Оказалось, что в хондритовых метеоритах примесные элементы разных групп присутствуют в тех же пропорциях (с незначительными вариациями), что и на Солнце. Это означает, что хондриты образовались из вещества солнечного состава и не проходили дифференциацию. В то же время, очевидно, что они эпизодически подвергались нагреванию, хотя и не очень сильному, поэтому в них произошли некоторые структурные и минералогические изменения, называемые тепловым метаморфизмом.

Хондриты четко делятся на три больших класса по форме содержания железа, точнее по степени его окисленности. Хондритам этих классов дали следующие названия и обозначения: энстатитовые (Е), обыкновенные (О) и углистые (С). В том же порядке в них увеличивается содержание окисленного (двух- и трехвалентного) железа. Все хондриты были еще поделены на шесть петрологических типов, в которых постепенно усиливаются структурные и минералогические проявления теплового метаморфизма (от 1 до 6 типа). В наиболее распостраненнй классификации большинство хондритов относят (по составу преобладающих силикатных минералов) к двум большим группам - L и H.

а) Углистые хондриты

Углистые хондриты (обозначаемые буквой "C" - от английского слова carbonaceous - углистый) - самые темные, чем и оправдывают свое название. Они содержат много железа, но почти все оно находится в связанном состоянии в силикатах. Темную окраску углистым хондритам придают в основном минерал магнетит (Fe3O4), а также небольшие количества графита, сажи и органических соединений. Эти метеориты содержат также значительную долю водосодержащих минералов или гидросиликатов (серпентин, хлорит, монтмориллонит и ряд других). C-хондриты представляют собой неметаморфизованное или слабо метаморфизованное вещество. В настоящее время углистые хондриты делятся на четыре группы (CI, CM, CO и CV) на основании постепенного изменения их свойств (эта классификация была предложена Дж. Вассоном в 70-х годах). В каждой из этих групп есть метеориты - наиболее типичные представители, свойства которых принимаются в качестве эталонных. При обозначении этих групп к латинской букве "C" добавляется еще индекс, соответствующий первой букве названия метеорита - типичного представителя данной группы. (Следует заметить, что каждому найденному метеориту обычно присваивают имя в соответствии с названием той географической местности, где он был найден). В упомянутых группах углистых хондритов CI, CM, CO, CV типичными представителями являются соответственно метеориты Ivuna, Мигеи (метеорит, найденный на Украине, в Николаевской области), Ornans и Vigarano. Несколько раньше (в 1956 г.) Г. Вииком было предложено деление углистых хондритов на три группы (CI, CII и CIII), упоминания о которых можно иногда встретить в литературе. Используемые нами (вслед за Вассоном) группы CI и CM полностью соответствуют группам CI и CII классификации Виика, а группы CO и CV можно рассматривать как составляющие группы CIII. В CI-хондритах гидратированные силикаты занимают преобладающую часть объема. Их рентгеновские исследования показали, что преобладающим силикатом является септехлорит (общая формула септехлоритов Y6(Z4O10)(OH)8, где Y = Fe2+, Mg; Z = Si, Al, Fe3+). Причем, все гидросиликаты находятся в аморфной форме, то есть в форме стекла. Дегидратированных силикатов (пироксенов, оливинов и др, которые появляются при температурах более 100° C) здесь вообще нет. CI-метеориты представляют собой исключение среди хондритов, поскольку их вещество вообще не содержит хондр, а состоит как бы из одной матрицы. Это подтверждает идею о кристаллизации хондр из расплавленного вещества, поскольку исследования показывают, что вещество CI-хондритов не подвергалось плавлению. Оно считается наиболее неизмененным, по сути первичным веществом Солнечной системы, сохранившимся с момента конденсации протопланетного облака. Именно этим объясняется высокий интерес ученых к CI-метеоритам. В CM-хондритах содержится уже только 10-15% связанной воды (в составе гидросиликатов), а в виде хондр присутствует 10-30% пироксена и оливина. В CO- и CV-хондритах содержится только около 1% воды в связанном состоянии и преобладают пироксены, оливины и другие дегидратированные силикаты. В небольших количествах в них имеется и никелистое железо. Присутствие гидросиликатов заметно снижает плотность углистых хондритов: от 3,2 г/см3 в CV до 2,2 г/см3 в CI-метеоритах.

б) Обыкновенные хондриты

Обыкновенные хондриты названы так потому, что они встречаются наиболее часто в имеющихся метеоритных коллекциях (Рис. 2). Они включают в себя три химические группы: H, L и LL (H, L - первые буквы от английских слов high - высокий и low - низкий). Метеориты этих групп похожи по ряду свойств, но отличаются по общему содержанию железа и сидерофильных элементов (H > L > LL) и по отношению окисленного железа к металлическому (LL > L > H). Хондриты группы H охватывают петрологические типы от 3 до 6, а хондриты групп L и LL относятся к петрологическим типам 3-7. Структурные и минералогические особенности О-хондритов свидетельствуют, что эти метеориты испытали тепловой метаморфизм при температурах примерно от 400° C (для низкого петрологического типа 3) до более 950° C (для типа 7) и при ударных давлениях до 1000 атм. (нарастающих при увеличении температуры). По сравнению с более "правильными" хондрами углистых хондритов хондры обыкновенных чаще имеют неправильную форму и заполнены обломочным материалом. Общее содержание железа в О-хондритах по группам меняется в следующих пределах: 18-22% (LL), 19-24% (L), 25-30% (Н). Количество металлического железа также увеличивается от группы LL к L и далее - к H.

в) Энстатитовые хондриты

В энстатитовых (или Е-) хондритах железо находится в основном в металлической фазе, то есть в свободном состоянии (при нулевой валентности). В то же время в их силикатных соединениях железа содержится очень мало. Практически весь пироксен в них представлен в виде энстатита (откуда и появилось название данного метеоритного класса). Структурные и минералогические особенности энстатитовых хондритов показывают, что они испытывали тепловой метаморфизм при максимальных (для хондритов) температурах, примерно в диапазоне от 600° C до 1000° C. Как следствие, Е-хондриты по сравнению с другими хондритами являются наиболее восстановленными и содержат наименьшее количество летучих соединений. В этой группе выделяются 3 петрологических типа (Е4, Е5 и Е6), в которых прослеживается нарастание признаков теплового метаморфизма. Было также обнаружено, что в Е-хондритах имеют место широкие вариации содержаний железа и серы в зависимости от петрологического типа. На этом основании некоторые ученые делят их еще на типы I (куда входят Е4 и Е5) и II (Е6). Хондры в энстатитовых хондритах погружены в темную мелкодисперсную матрицу, имеют неправильные очертания и заполнены обломочным материалом.

§5. Дифференцированные метеориты

а) Ахондриты

Менее многочисленная группа каменных метеоритов (около 10%) - ахондриты. В этих метеоритах нет хондр и они химически не похожи на хондриты, то есть имеют несолнечный состав. Ахондриты составляют ряд от почти мономинеральных оливиновых или пироксеновых пород до объектов, сходных по структуре и химическому составу с земными и лунными базальтами. Они бедны железом и сидерофильными примесными элементами, в них разное содержание Fe, Mg и Ca. В сновном эти метеориты похожи на изверженные породы Земли и Луны, прошедшие магматическую дифференциацию. Предполагается, что ахондриты образовались из исходного вещества хондритового состава в одном процессе дифференциации, который дал и железные метеориты, которые обсудим несколько ниже. Ахондриты делят на группы по минералогическому составу. Название каждой из групп соответствует либо названию основного минерала, либо названию метеорита, который можно считать типичным представителем данной группы: обриты (97 вес. % составляет ортоэнстатит), уреилиты (85 вес. % оливина), диогениты (95 вес. % ортопироксена), говардиты (40-80% ортопироксена) и эвкриты (40-80% пижонита).

Кроме ахондритов, дифференцированными метеоритами являются еще железные и железокаменные метеориты. Они вызывают значительный интерес ученых не только потому, что падают на земную поверхность реже хондритов. Они представляют и другой этап эволюции вещества в Солнечной системе. В то время как в хондритах записана история аккумуляции вещества в допланетном облаке и при образовании планетезималей, дифференцированные метеориты "запечатлели" последовательность процессов, протекавших в родительских телах метеоритов, и их внутреннюю структуру. Железные метеориты раньше считались частью разрушенного ядра одного большого родительского тела размером с Луну или больше. Но, как теперь известно, они представляют множество химических групп, которые в большинстве случаев свидетельствуют в пользу кристаллизации вещества этих метеоритов в ядрах разных родительских тел астероидных размеров (порядка нескольких сотен километров). Другие же из этих метеоритов, возможно, представляют собой образцы отдельных сгустков металла, который был рассеян в родительских телах. Есть и такие, которые несут доказательства неполного разделения металла и силикатов, как железо-каменные метеориты.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--