Возраст метеоритов и проблема доставки метеоритов с Луны и Марса
Абстракт.
Обсуждается проблема идентификации так называемых «марсианских» и «лунных» метеоритов. Показано, что «доставка» метеоритов на Землю с этих небесных тел невозможна с точки зрения механики ударного выброса. Кроме того, оценки возрастов этих метеоритов исключают саму возможность межпланетного перелета метеоритов и ставят под сомнение правомочность идентификации метеоритов с марсианским или лунным происхождением по признакам сходства их вещества с известными свойствами Марса и Луны.
Abstract.
Problem of the correct identification of so called “Martian” and “Lunar” meteorites is discussed. It is shown that “delivery” to the Earth o meteorites from large planets is impossible from the impact mechanic’s point of view. Besides that the estimations of these meteorites ages exclude even a possibility of interplanetary flight of these meteorites, as well as possibility of meteorite identification to the Mars or the Moon by comparison of their material with known Martian or Lunar properties.
Введение.
Метеориты, признанные происходящими с Марса или с Луны, отнесены к этим телам исключительно по признакам сходства химического и изотопного состава их вещества с веществом Марса или Луны [1]. Появление этих метеоритов на Земле объясняется как результат выброса образцов поверхности планеты в результате падения на нее космического тела [2]. С одной стороны, скорость падения космических тел на планету всегда превышает вторую космическую скорость на ней. Казалось бы, при ударе с такой скоростью кусок местной породы может быть выброшен с близкой скоростью из места столкновения. На самом деле при механическом взаимодействии двух твердых тел во время удара энергия удара переходит в форму энергии сжатия соударяющихся тел, после чего высвобождение этой энергии вызывает взаимное отталкивание тел со скоростью, не превышающей скорость звука в веществе соударяющихся тел. Вместе с тем для выброса с поверхности Марса метеорита требуется скорость 5 км/с, то есть превышающая скорость звука в любом из известных минералов, что исключает прямой выброс метеоритов ударным способом.
1. Возможность выброса метеорита с Марса с точки зрения небесной механики.
При ударе со сверхзвуковой скоростью (относительно скорости звука в веществе ударника или препятствия) происходит не упругая деформация вещества соударяющихся тел, а его разрушение. В общем случае разрушенное вещество превращается в пар под большим давлением, который вырывается из области контактного взаимодействия соударяющихся тел, увлекая за собой продукты дробления пород в месте удара [2]. В результате в месте удара возникает ударный кратер, но часть выброшенного вещества может быть вынесена далеко за пределы кратера вместе с газовым джетом. Можно предположить, что при особо мощном импакте энергия газовой струи в джете окажется достаточной, чтобы попавший в струю газа обломок ускорить до космической скорости. Это – очень экзотический механизм придания космической скорости образцу вещества планеты, но другого способа предложить для этого нельзя, и этот механизм принимается для обоснования возможности доставки на Землю метеоритов с Марса.
Долететь до Земли метеорит с Марса мог только в том случае, если его скорость относительно Солнца в точке выброса была на 2,617 км/с меньше орбитальной скорости Марса. В этом случае орбита метеорита пересекала бы орбиту Земли при любом направлении вылета с Марса. При бóльшей скорости движения относительно Солнца в момент выброса его орбита не доходила бы до орбиты Земли, при меньшей – заходила бы внутрь орбиты Земли, но не пересекала её. Вероятность точного выполнения этого условия пренебрежимо мала! Можно еще предположить, что плоскость орбиты выброшенного образца Марса пересекает орбиту Земли. В этом случае за конечное время столкновение тел на пересекающихся орбитах будет неизбежно. Скорость такого выброса образца с Марса должна быть не меньше 7,6 км/с, причем вектор скорости должен быть направлен в сторону, противоположную направлению орбитального движения Марса, а сам выброс должен произойти точно в тот момент, когда Марс пересекает плоскость земной орбиты. Даже в этом случае наклонение орбиты обломка к плоскости эклиптики не должно превышать 38 угловых секунд, иначе у нее не будет пересечений с орбитой Земли с учетом диаметра нашей планеты.
Можно оценить вероятность сочетания обстоятельств, которое могло бы привести к выбросу образца с Марса и его выпадения на Землю. Поскольку все три обстоятельства – мощный удар метеорита по поверхности Марса, придание образцу нужной космической скорости и нужного направления движения, - являются независимыми, результирующая вероятность будет произведением вероятностей каждого из них.
Поверхность Марса покрыта большим количеством кратеров ударного происхождения. Правда, по ним невозможно судить о скоростях выброса марсианской породы из этих кратеров. Возможно, ни в одном случае скорости выбросов обломков из кратеров вообще не достигали космических скоростей.
Вероятность того, что при нормальном распределении скоростей выброса твердых пород из ударного кратера скорость хотя бы одного обломка составила точно 2,617 км/с в его афелии, тоже ничтожна. Компьютерное моделирование, выполненное Head et al [3], показало, что для создания условий, необходимых для выброса фрагментов марсианской поверхности за пределы Марса, требуется удар 400-метрового тела на скорости 10 км/с с образованием кратера в монолитной базальтовой породе диаметром около 7 км. При этом должно оказаться в космосе не меньше миллиона фрагментов размером более 3 см. Вероятность того, что хотя бы один фрагмент после импактного события полетит в нужном направлении и попадет в телесный угол 38 секунд, равна 10-3.
В статье [3] не приводится цифровой материал результатов вычислений, но из опубликованного графика распределения скоростей выброса можно сделать вывод, что не более 0.1% выброшенных частиц имеет нужную скорость. Если учесть, что авторы работы [3] придерживаются той точки зрения, что вероятность обнаружения на Земле выпавшего на неё марсианского метеорита оценивается в 10-6…10-7, то для доставки только одного найденного образца марсианского метеорита на поверхности Марса должно образоваться более миллиарда ударных кратеров диаметром от 7 км и выше. Эта оценка радикально расходится с возможным числом кратеров ударного происхождения.
Если исходить из того, что каталогизированных на Луне при площади лунной поверхности в 3,8 раза меньшей, чем площадь поверхности Марса, выявлено всего 14923 кратера с диаметром свыше 10 км [4], то можно оценить число ударных кратеров на Марсе. Поскольку поверхность Луны не подвергается эрозии, и все ударные кратеры на ней сохраняются не менее 4 млрд. лет, а плотность бомбардировки космическими телами не должна сильно отличаться для Луны и Марса, получим оценку числа ударов необходимой силы космических тел о поверхность Марса за всю его историю в 60000. Это, как минимум, на порядок меньше, чем необходимо для обнаружения на Земле только одного марсианского метеорита. Если же принять во внимание, что общее число найденных марсианских метеоритов уже доходит до 120, то приходится усомниться в эффективности механизма ударного выброса образцов с Марса и доставки их на Землю.
В дополнение к сказанному следует также принять во внимание то обстоятельство, что в Солнечной системе крайне сложно подобрать миллион ударников размером не менее 400 метров со скоростью встречи с Марсом выше 10 км/с. Во всем Главном поясе астероидов не наберется и одного процента требуемого количества таких тел.
2. Возраст метеоритов.
Другим аргументом против предположений о выбросе метеоритов с марсианской поверхности является возраст этих метеоритов.
Возраст метеоритов определяется двумя независимыми методами – радиоизотопным и экспозиционным. Радиоизотопный метод использует предположение о неизменности скорости полураспада радиоактивных элементов и определяет возраст образцов с момента их последнего затвердевания [5, 6]. Экспозиционный метод использует предположение о неизменности уровня космического облучения в открытом космосе и определяет продолжительность пребывания образца в космическом пространстве по результатам воздействия космических частиц на поверхность образца [7, 8]. Все датировки исследованных метеоритов приводят к одному значению времени их последнего перехода в твердую фазу – 4,5 миллиарда лет, причем независимо от типа метеоритов и вида исследованных радиоактивных изотопов. Эти определения хорошо согласуются между собой и Стандартной космогонической теорией [9].
Если согласиться с аргументацией сторонников марсианского происхождения некоторых метеоритов по признаку сходства состава воздуха в метеоритных полостях с атмосферой Марса, то большой изотопный возраст метеоритов должен означать неизменность состава марсианской атмосферы на протяжении всей истории Солнечной системы. Такое допущение в отношении Марса едва ли оправдано. Во всяком случае, в истории Земли состав ее атмосферы многократно изменялся, причем в очень широких пределах [10], да и свидетельств очень серьезных климатических изменений на Марсе набралось немало.
Возрасты разных метеоритов, определенные экспозиционным методом, имеют большой разброс и составляют от десятков тысяч до нескольких миллионов лет [11]. В рамках гипотезы о происхождении метеоритов из разрушаемых соударениями астероидов [12] радиоизотопную датировку относят к возрасту родительского астероида, а экспозиционную – к дате его разрушения и срокам существования осколков в космосе до их падения на Землю (под защитой земной атмосферы облучения космическими частицами уже не происходит) [13].
Однако, существует много аргументов против самой возможности столкновений астероидов между собой, тем более на коротких интервалах времени, вытекающих из экспозиционных датировок. Ударные явления, действительно, имели место на заре истории Солнечной системы, но последние 4 миллиарда лет в Главном поясе астероидов благополучно сохраняются двойные астероиды. При крайне невысокой энергии гравитационной связи между компонентами двойных астероидов в случае столкновений их с другими телами они лишились бы своих спутников, а механизма захвата в поле тяготения в бездиссипативной среде нет.
Экспозиционный возраст самого известного "марсианского" метеорита ALH84001 составляет 16...17 миллионов лет [3, 14]. Экспозиционный возраст других 13 "марсианских" метеоритов оценивается в 0.8 ... 11.4 млн. лет, причем можно предполагать, что они относятся как минимум, к 6 различным импактным событиям [3]. Отсюда приходится сделать вывод, что средний интервал между такими событиями должен составлять около 2 миллионов лет. Может показаться, что эта оценка согласуется с ожидаемым числом ударных кратеров на Марсе, определенным по плотности ударных кратеров на Луне. Однако, подавляющее число лунных кратеров образовалось в период Поздней тяжелей бомбардировки между 4.1 и 3.8 миллиарда лет назад, а к настоящему времени темп лунного кратерообразования снизился в 1000 раз [15]. Полагая, что источник для кратерообразования на Луне и Марсе один и тот же, приходим к явному несоответствию между экспозиционными возрастами "марсианских" метеоритов и интервалами между ударными событиями на Марсе, способными их выбросить с планеты.
Выводы.
Метеориты, якобы имеющие марсианское происхождение, не могли быть выбитыми с поверхности Марса космическими ударами. Необходимая для этого скорость 5,3 км/с в два раза превышает скорость звука в монолитных каменных породах; если скорость ударника по такому материалу превышает скорость звука в нем, то удар приводит к полному разрушению его кристаллической решетки. Теоретически существует возможность, что какой-то камень мог оказаться в струе газов, образующейся между ударником и мишенью при гиперскоростном ударе. Показано, что условия для такого выброса не реализуются. Схожесть составов некоторых метеоритов с веществом Марса и Луны следует объяснять другими способами.
The meteorite ages and a problem of meteorites delivery to the Earth.
A. V. Bagrov
The meteorite ages are determined by two independent methods – by radioisotope one and by exposure time calculation. The radioisotope method is based on assumption that temp of radioactive elements decay is stable, and it leads to an age since last hardness of analyzed substance. The exposure method is based on assumption of cosmic rays bombardment stability, and it indicates exposure time being necessary to gather detected heavy particles tracks inside meteorite surface. All meteorites have nearly equal radioisotope age about 4…4.5 billion years, for all kinds of meteorites, and for any types of radioactive elements. As for exposure ages, they are widely spread from few thousands to some million years. Due to the hypothesis of meteorite origin as asteroid fragments after their collision, the radioisotope age is believed to be an age of parent asteroid, and an exposure ages are referred to the tine since collision. Nevertheless there are many arguments real possibility of inter-asteroids collisions at all, especially at extremely short times indicated by exposure method.
So-cold “Martian” meteorites could not be pushed away from Mars by any powerful kicking by falling meteorite. The necessary velocity for escaping from Mars is 5.3 km/s that is 2.5 times above sound velocity in meteorite substance. When collision being at larger velocity, it shatters stones into dust, but not accelerates them. Theoretically stones can be accelerated by gas flows from supersonic collision area, but necessary parameters of such flow are never achieved. Likeness of some meteorites composition to Martian substances or to Lunar samples needs alternative explanations.
1. Mars Meteorites. URL: http://www2.jpl. nasa. gov/snc/index. html
2. Ударный кратер (Википедия). URL: https://ru. wikipedia. org/wiki/Ударный_кратер
3. Head J. N., Melosh H. J., Ivanov B. A. Martian meteorite launch: high-speed ejecta from small craters. // Science, 298, 1752–1756 (2002).
4. Морфологический каталог кратеров Луны. / , , и др. Под общей редакцией .- М.: Изд-во МГУ, 1987.- 173 с.
5. Ядерно-хронологические методы датировки. URL: http://www. phys. rsu. ru/web/nuclear/datamethods. htm
6. URL: http://dic. academic. ru/dic. nsf/bse/89956/Изотопные
7. Alexeev V. A., Ustinova G. K. Cosmogenic nuclide evidence on ages, sizes and orbits of meteorites // Nucl. Geophys. 1995. - V. 9. - No 6. - P. 609–618.
8. Fleischer R. L., Price P. B., Walker R. M., Maurette M. Origin of fossil charged-particle tracks in meteorites // J. Geophys. Res. 1967. V. 72. ‹ 1. P. 331–353.
9. Safronov V. S. Kuiper prize lecture: Some problems in the formation of the planets. // Icarus. 1991. Vol. 94, N2. P. 260-271.
10. и др. Актуальные проблемы геофизики. // Вестник ОГГГГН РАН, № 2(8), 1999. URL:http://www. scgis. ru/russian/cp1251/h_dgggms/2-99/strakhov. htm#begin.
11. Wetherill G. W. Multiple cosmic ray exposure ages of meteorites // Meteoritics. 1980. V. 15. No 4. P.386–387.
12. Cheng A. F. Collisional evolution of the asteroid belt. // Icarus, 2004, vol. 169, Issue 2, pp. 357-372
13. Heck Ph. R., B. Schmitz, H. Baur, A. N. Halliday, R. Wieler (2004), Fast delivery of meteorites to Earth after a major asteroid collision, Nature, 430, № 6997, 323-325.
14. URL: http://awakening1.narod. ru/universe-4.htm
15. Рускол Луны. М.: Наука, 1975. - 188 с.
