Неровная поверхность разделила шлейф вокруг лунных кратеров на лучи

Японские физики объяснили причину возникновения лучей у шлейфа закратерных выбросов, который образуется из сыпучего грунта при падении метеорита на поверхность различных небесных тел. Оказалось, что к такому эффекту приводит наличие на поверхности относительно упорядоченной структуры неровностей. Этот эффект впервые удалось смоделировать экспериментально в лабораторных условиях, пишут ученые в Physical Review Letters.

Вокруг кратеров, которые появились на многих небесных телах (например, на Луне или Марсе) в результате столкновения с метеоритами, можно обнаружить шлейф из выброшенного наружу сыпучего грунта, который лучами расходится в разные стороны. Форму этих шлейфов обычно связывают с рельефом поверхности, на которую упал метеорит, но точной взаимосвязи между ними ученым до сих пор установить не удавалось. Несмотря на то, что многие свойства кратеров уже получалось смоделировать экспериментально, просто бросая твердые шарики на поверхность из сыпучего материала, объяснить возможное образование шлейфа лучистой формы с помощью этих экспериментов до сих пор не удавалось. Во всех экспериментах при падении шарика в песок, песчинки разлетались равномерно по всем направлениям, но никаких лучей при этом не появлялось.

Физики из Окинавского института науки и технологии под руководством Пинаки Чакраборти (Pinaki Chakraborty) предположили, что к возникновению лучей в шлейфе закратерных выбросов может приводить наличие на поверхности периодических неровностей — например борозд или возвышенностей. Чтобы проверить это предположение, физики провели модельный эксперимент, в котором твердый стальной шарик диаметром от 2,5 до 10 сантиметров бросали на сыпучую поверхность, состоящую из микрометровых стеклянных шариков. При этом на эту поверхность была нанесена гексагональная сетка из бороздок с периодом в несколько (от 2 до 15) раз меньше диаметра шарика.

Авторы отмечают, в реальности падение метеорита на поверхность происходит с гиперзвуковой скоростью, которая больше скорости распространения звуковых волн в песке, однако значительная часть энергии при этом теряется за счет трения. Поэтому многие физические эффекты можно наблюдать и в упрощенной модели, в которой шарик падает с более низкой скоростью — менее 100 метров в секунду. Однако чтобы показать, что полученные в таком эксперименте данные действительно отражают реальную ситуацию, дополнительно физики провели численное моделирование, в котором столкновение происходило с гиперзвуковой скоростью.

Оказалось, что наличие на поверхности упорядоченной системы гексагональных бороздок с периодом меньше размера шарика действительно приводит к выбросу наружу частиц сыпучей среды в виде отдельных лучей. Чем больше отношение диаметра шарика к периоду текстуры — тем больше лучей будет формироваться. В случае, если поверхность абсолютно плоская, никаких лучей не будет вовсе.

При этом аналогичный эффект наблюдается и в том случае, если неровности на поверхности не упорядочены, но все-таки имеют какой-то характерный размер. В таком случае и шлейф после падения будет несимметричным, но лучи в нем все равно будут формироваться.

Авторы работы отмечают, что до этого лучистый шлейф удавалось смоделировать лишь в любительских экспериментах, но в лаборатории этот эффект не наблюдался. Причиной этого физики считают слишком тщательную подготовку условий лабораторных экспериментов: все поверхности в них были тщательно выровнены, из-за чего происходило формирование равномерного шлейфа. В свою очередь, наличие небольших неровностей по всей поверхности в любительских экспериментах приводило к образованию у шлейфа лучей.

На основании полученных экспериментальных и расчетных данных ученые построили модель, которая связывает, например, соотношение размеров шарика и неровностей на поверхностей с количеством, формой и длиной лучей в шлейфе. С помощью этой модели авторы проанализировали и параметры кратера Кеплера на поверхности Луны, и оценили примерный радиус метеорита, которые привел к его появлению. Полученное значение (примерно 3,4 километра) хорошо согласуется и с другими данными о его размере.

В будущем ученые планируют доработать предложенную модель, чтобы с помощью нее можно было оценивать и другие параметры столкновения, например скорость и энергию метеорита во время падения.

Стоит отметить, что физическое моделирование кратеров, гор и дюн, которые образуются на поверхности небесных тел из сыпучих веществ, часто становится источником информации о том, что происходит на других планетах. Например, с помощью численного моделирования и экспериментальных иссследований с использованием аэродинамической трубы ученые определили, что причиной появления асимметричных гор в середине марсианских кратеров стали турбулентные атмосферные потоки. А по расположению и формам дюн на поверхности Плутона и Марса ученые могут сделать выводы об эволюции атмосферы, ее составе и основном направлении ветра.

Александр Дубов