XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Небесные странники
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В августе прошлого года я с друзьями на даче наблюдал падающие звёзды в ночном небе. Это было необычное и красивое зрелище. Мы старались успеть загадать желание, пока падающая звезда совершала свой стремительный полёт. После этого я заинтересовался данным астрономическим явлением и узнал, чем же на самом деле являются падающие звёзды.
Оказывается, мы принимаем за падающие звезды малые космические тела метеороиды. Метеороид – это твёрдый объект, движущийся в космическом пространстве, который является фрагментом космических тел большого размера (астероидов и комет). Подлетая к нашей планете, такой объект сталкивается с воздушной оболочкой и так сильно раскаляется, что начинает светиться, как звезда. Не успевая долететь до Земли, большинство метеороидов сгорает и гаснет. Но некоторые из них достигают поверхности Земли. Такие небесные странники называются метеоритами [4, с. 28].
Увидев мой интерес к метеоритам родители отдали мне для исследования металлическую пластину, вырезанную из осколка метеорита Муонионалуста. Несколько лет назад папа привез её в подарок маме из Московского музея космонавтики. Держа в руках настоящий метеорит, я решил познать тайну жизненного цикла метеоритов – как они рождаются, путешествуют в космосе и падают на Землю.
Цель работы: изучение и исследование жизненного цикла метеоритов.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
познакомиться с теорией происхождения метеоритов, их свойствами и классификацией;
установить, к какому виду метеоритов принадлежит осколок из домашней коллекции;
определить, зафиксированы ли случаи падения метеоритов на территории Ярославской области?
провести астрономическое наблюдение за падающими на Землю космическими телами.
Объект исследования: факты и гипотезы, относящиеся к метеоритам.
Предмет исследования: фрагмент метеорита.
Актуальность исследования: интерес людей к метеоритам, как к источникам информации о космических процессах и истории образования космических тел.
Методы исследования: анализ информации по теме исследования, наблюдение, эксперимент.
1 Наука о метеоритах, классификация и свойства метеоритов
Летописи и предания сообщают нам, что с незапамятных времён люди наблюдали летящие в небе огненные шары и камни, падающие с неба. Такие камни называли аэролитами, но никто не занимался исследованием их свойств, а наука и вовсе не признавала их космическое происхождение.
История науки о метеоритах – метеоритики – началась с обнаружения в Сибири необычной железной глыбы весом около 700 килограммов. По распоряжению академика Петра Палласа она была доставлена в Санкт-Петербург. Вокруг образца, оказавшегося редким видом железокаменного метеорита и получившего название «Палласово железо», развернулись научные споры. В результате физик Эрнст Хладни издал книгу «О происхождении найденной Палласом и других подобных ей железных масс и о некоторых связанных с этим явлениях природы», в которой он исследовал Палласово железо и высказал космическое происхождение метеоритов [2, с. 47].
В наше время метеоритика изучает движение метеорных тел, их взаимодействие с атмосферой при падении на Землю, состав и другие свойства метеоритов. Она тесно связана с астрономией и геологией. В России метеоритикой занимается коллектив учёных из комитета по метеоритам Российской академии наук, который располагается в Москве при Институте геохимии и аналитической химии имени В.И. Вернадского.
По оценкам учёных на Землю ежегодно падает около 500 метеоритов, но всего лишь нескольким из них (10-20 в год) выпадает счастье не затеряться и окончить свой путь в музеях. Метеориты хранятся в специальных музеях или особых отделах минералогических музеев. Наиболее крупная мировая коллекция содержит более 16 тысяч образцов всех типов метеоритов из 45 стран и хранится в трёх музеях Москвы: в Музее внеземного вещества, в Минералогическом музее имени А.Е. Ферсмана и в Геологическом музее имени В.И. Вернадского. Но самый крупный метеорит в мире до сих пор лежит на месте своего падения. Железная глыба весом 60 тонн, получившая название Гоба, упала примерно 80 тысяч лет назад в Намибии.
Метеориты состоят в основном из следующих химических элементов: железо, никель, магний, кремний, сера, алюминий, кальций и кислород. Остальные элементы встречаются в метеоритах в очень малых количествах. Метеориты по составу подразделяются на три класса: каменные, железные и железо-каменные [6, с. 14].
Каменные метеориты встречаются чаще всего (около 92% от общего количества падений) и состоят в основном из силикатов (оливина и пироксена). Каменные метеориты делятся на две группы:
хондриты (содержащие хондры – включения в виде сферических шариков из силикатного вещества);
ахондриты (не содержащие хондр, образовались в результате процесса плавления, который уничтожил хондры).
Железные метеориты встречаются реже (примерно 6% от общего количества падений) и состоят из железо-никелевого сплава. Железные метеориты делятся на три группы:
гексаэдриты (с содержанием никеля менее 7%);
октаэдриты (с содержанием никеля от 7 до 15%);
атакситы (с содержанием никеля более 15%).
Железо-каменные метеориты встречаются очень редко (примерно 2% от общего количества падений) и состоят из смеси силикатов и никелистого железа примерно в одинаковых пропорциях. Железо-каменные метеориты делятся на две группы:
палласиты (состоят из железоникелевой матрицы, заполненной кристаллами оливина);
мезосидериты (состоят из хаотического сочетания никелистого железа и силикатов).
Но как же отличить метеорит от земных объектов – горных пород и самородного железа? Надёжно это сделать могут только специалисты. Однако к простейшим признакам метеоритов можно отнести следующие:
неправильная форма, обусловленная ударом о земную поверхность или разрушением при падении (хотя встречаются и округлые или конусообразные метеориты);
большая плотность, вызванная повышенной концентрацией молекул вещества под действием давления при образовании небесных тел (каменные метеориты тяжелее земных горных пород);
кора плавления, которая образуется от нагрева при движении метеорита через земную атмосферу (подплавленный и вновь затвердевший тонкий слой вещества, имеет чёрный цвет и матовую поверхность);
намагниченность, обусловленная включениями никелистого железа (магнитными свойствами обладают не только железные, но и каменные метеориты);
регмаглипты, возникшие при движении метеорита сквозь земную атмосферу (углубления на поверхности метеорита, напоминающие отпечатки пальцев на мягкой глине);
видманштеттенова структура, являющаяся следствием кристаллизации никеля (сеть линий на отполированных срезах железных метеоритов).
2 Жизненный цикл метеорита
Описание жизненного цикла метеоритов я представлю в виде рассказа от лица главного героя – метеорита.
«Я метеорит из метеорного потока Персеиды. Давным-давно моя мать – комета Свифта-Туттля путешествовала по Солнечной системе. Приближаясь к Солнцу, она нагрелась и стала рассеивать в межпланетном пространстве мелкие частицы льда и пыли. В тот момент и я откололся от ядра своей матери-кометы и долго летел за ней в её хвосте. Но потом она улетела вперёд по своей орбите, а я вместе со своими братьями-метеороидами путешествовал по нашей Галактике.
Нужно сказать, что каждый год в начале августа планета Земля проходит через шлейф частиц, выпущенных кометой Свифта-Туттля. Вот однажды и я пролетал мимо Земли. Сила её притяжения выдернула меня и несколько других метеороидов из нашего метеорного потока. Так мы со скоростью 40 км/с попали в земную атмосферу. В результате трения о воздух я разогрелся до температуры 1800°С и начал светится, словно маленькая звёздочка. Некоторые мои братья совсем маленьких размеров сгорели без остатка не успев долететь до Земли. Но я не успел сгореть, хотя под воздействием высокой температуры и давления от меня откололось несколько кусочков. Они тоже сгорели в атмосфере, образовав метеоритный дождь.
Приземлился я ночью в сибирской тайге. При соприкосновении с земной поверхностью я повалил несколько деревьев, срезал вершину сопки, произвёл мощный взрыв с небольшим пожаром и образовал круглый кратер. Хорошо хоть, что при моём падении никто не пострадал. Хотя несколько человек, увлекающихся астрономией, наблюдали моё падение из города Красноярска.
Через несколько дней группа учёных обнаружила место моего падения. К тому времени моё обугленное тело уже успело остыть, и его с помощью инструментов извлекли из кратера. Меня увезли в городскую лабораторию, где, как новорождённого младенца, взвешивали, измеряли и проводили различные анализы. Я оказался каменным метеоритом, относящимся к классу углистых хондритов. После этого мне дали имя в честь протекающей рядом с местом моего падения речки и внесли моё имя в международный каталог метеоритов. С этих пор я проживаю вместе с другими небесными странниками в местном краеведческом музее».
3 Исследование осколка метеорита
Я решил найти информацию о метеорите Муонионалуста, фрагмент которого хранится в моей семье (рисунок 1), а также провести исследование, которое подтверждало бы его космическое происхождение.
На сайте международной организации «The Meteoritical Society», занимающейся исследованием метеоритов, я узнал, что Муонионалуста является железным метеоритом и принадлежит к группе октаэдритов [7]. По данным анализов в химический состав метеорита входит от 91% до 95% железа, от 5% до 8,4% никеля, а также присутствуют медь, галлий, германий, иридий.
Первые фрагменты метеорита были найдены в 1906 году в округе Норботтен на севере Швеции. Новый метеорит описал профессор геологии Арвид Хёгбом, он же и дал ему название в честь протекающей в тех местах реки Муонио. Исследования показали, что это был самый древний из обнаруженных метеоритов, который упал на Землю в четвертичном периоде около миллиона лет назад и после этого пережил четыре ледниковых периода.
При падении на Землю метеорит разбился на множество частей. Площадь рассеяния найденных фрагментов растянута в виде эллипса на 75 км. За прошедшее столетие собраны сотни экземпляров метеорита Муонионалуста общей массой более 5 тонн [8]. До сих пор он очень популярен в обществе охотников за метеоритами, которые отправляются в поисковые экспедиции в Швецию с металлоискателями и лопатами (рисунок 2).
|
Рисунок 1 – Пластина метеорита Муонионалуста, принадлежащая автору |
Рисунок 2 – Фрагмент метеорита Муонионалуста, найденный в Швеции (фото из отчёта поисковой экспедиции) |
Фрагменты метеорита Муонионалуста находятся во многих музеях мира:
Планетарий города Брно в Чехии (21 кг);
Геологический музей университета города Уппсала в Швеции (15 кг);
Геологический музей имени Вернадского в Москве (2,4 кг);
музеи Вены, Берлина, Вашингтона, Нью-Йорка, Лос-Анджелеса, Чикаго (фрагменты массой от 60 грамм до 200 грамм).
Кроме того фрагменты метеорита Муонионалуста есть у многих коллекционеров по всему миру.
Необычной особенностью железных метеоритов, в том числе и метеорита Муонионалуста, являются видманштеттеновы фигуры. Это густая сеть линий на отполированной и протравленной кислотой поверхности метеорита, являющаяся следствием кристаллизации никеля. Линии, в свою очередь, это элементы структуры в виде пластин, составляющих сплав кристаллических зёрен. Такой узор возникает только в достаточно крупном космическом теле при воздействии высокой температуры и давлении. То есть данная структура может быть присуща только метеоритам.
Я решил с помощью домашнего микроскопа рассмотреть поверхность пластины метеорита и определить – действительно ли имеется на нём видманштеттенова структура (рисунок 3).
Микроскоп Levenhuk оснащён объективами (линзами, расположенными ближе к исследуемому объекту) мощностью 4х, 10х и 40х. В сочетании с окуляром (линза, в которую мы смотрим) мощностью 16х он позволяет рассматривать объекты с увеличением 64 крат, 160 крат и 640 крат. Эти цифры получаются умножением мощности объектива и окуляра.
Я расположил пластину метеорита на предметном столике, включил освещение и произвёл фокусировку, чтобы получить чёткое изображение. При увеличении 64 крат я увидел узор из линий, расположенных, как мне показалось, немного хаотично, а не геометрически правильно, как должно быть. Потом я настроил увеличение 160 крат, и увидел ровные линии пластинок метеоритного железа, которые создавали красивый и ровный узор (рисунок 4). Это и есть видманштеттенова структура, присущая только железным метеоритам.
Таким образом, я убедился, что находящийся у меня фрагмент является частью настоящего метеорита – небесного странника, прилетевшего на нашу планету в самом начале четвертичного периода.
|
Рисунок 3 – Наблюдение поверхности метеорита в микроскоп |
Рисунок 4 – Видманштеттеновы фигуры на метеорите Муонионалуста |
4 Метеориты в Ярославской области
На нашей планете выявлено множество метеоритных кратеров, которые в геологии называются астроблемами (в переводе с греческого языка – «звёздная рана»). На них проводят буровые работы, определяют возраст и размеры, находят осколки метеоритов [5, с. 9].
Но мало кто знает, что на территории Ярославской области имеется тоже несколько астроблем. При анализе геологического строения побережья Рыбинского водохранилища с помощью космических снимков в Брейтовском районе были обнаружены три кратера: Тимохино, Осиновик и Язино (рисунок 5). Кратеры представляют собой кольцевые образования чашеобразной формы с кратерными валами диаметром примерно 2 км. Появились они уже после ледникового периода, в эпоху раннего Голоцена, о чём свидетельствует их довольно чёткая выраженность в современном рельефе. Сейчас котловины кратеров заполнены илистыми осадками, а их берега заболочены [1, с. 102].
Скорее всего, один крупный метеорит при попадании в земную атмосферу распался на три части, которые упали рядом и образовали данные астроблемы. Для проверки этой гипотезы в 2015 г. учёные геофизической обсерватории «Борок» провели полевое изучение и отбор шлиховых проб на кратере Тимохино [3, с. 4]. Исследования показали наличие минералов с размерами менее 1 мм импактного происхождения, то есть образовавшихся при ударе метеорита (рисунок 6):
магнитные сферулы – застывшие капельки метеоритного вещества из железо-никелевого сплава;
троилит – минерал сульфида железа, который встречается только в метеоритах.
Таким образом, на территории Ярославской области до сих пор сохранились следы падения железного метеорита, которое произошло около 10 тысяч лет назад.
|
Рисунок 5 – Расположение метеоритных кратеров на побережье Рыбинского водохранилища |
Рисунок 6 – Частицы метеоритного вещества из кратера Тимохино |
5 Проведение астрономического наблюдения
Когда солнце исчезает за горизонтом и наступает ночь, перед нашими глазами возникает самая восхитительная картина в мире: звездное небо. Все мы любим наблюдать за бесчисленными сверкающими звёздами, которыми усыпано небо. Но ещё интереснее наблюдать за метеором – астрономическим явлением, возникающим при сгорании в атмосфере Земли мелких космических тел. Это явление и принимается многими людьми за падающие звёзды.
Я решил провести настоящее астрономическое наблюдение и попробовать увидеть падающие на Землю космические тела. Однако в моём распоряжении не было ни телескопа, ни карты звёздного неба. Кроме того почти в течение всего декабря небо было затянуто тучами, что не позволяло увидеть звёздное небо. Я уже было отчаялся, если бы на помощь не пришли возможности всемирной информационной сети Интернет.
На сайте Московского планетария «www.planetarium-moscow.ru» [9] в разделе «Астрономический прогноз» я узнал, что в ночь с 3 на 4 января достигнет максимума активности метеорный поток Квадрантиды. На сайте дана следующая подробная информация:
метеорный поток Квадрантиды порожден небольшим астероидом 2003 EH;
в момент максимума активности ожидается до 120 метеоров в час;
метеоры будут вылетать из созвездия Волопас ближе к границе с созвездием Дракон;
средняя скорость входа метеоров в атмосферу составляет 41 км/сек;
Луна вскоре после полуночи зайдет за горизонт и не помешает наблюдению метеоров.
На другом сайте «www.stellarium-web.org» [10] я нашёл интерактивную карту звёздного неба, которая автоматически определяла местоположение наблюдателя и показывала расположение созвездий в режиме реального времени. На карте я определил область появления метеорного потока Квадрантиды (рисунок 7).
|
Рисунок 7 – Интерактивная карта звёздного неба |
Для проведения наблюдения я через сайт «www.sao.ru» [11] воспользовался онлайн-телескопом, расположенным в Специальной астрофизической обсерватории Российской академии наук. Обсерватория находится в Карачаево-Черкесской Республике на склоне горы Пастухова на высоте 2100 метров над уровнем моря. Телескоп Цейсс-1000 (рисунок 8) обладает функцией наблюдения всего звёздного неба («All-Sky») в режиме реального времени. Подключившись через интернет с домашнего компьютера к объективу телескопа я нашёл область вылета метеоров и в течение часа ожидал появления небесных странников. Мои старания увенчались успехом: в 3 часа 35 минут я увидел яркий трек пролёта метеора из потока Квадрантиды (рисунок 9).
В ходе проведения астрономического наблюдения я научился работать с интерактивной картой звёздного неба, определил область вылета метеоров при удалённой работе с телескопом, и наблюдал одно из самых завораживающих астрономических явлений – попадание метеороида в атмосферу Земли.
|
Рисунок 8 – Начало астрономического наблюдения (4 января, 2 часа 37 минут) |
|
Рисунок 9 – Наблюдение пролёта метеора (4 января, 3 часа 35 минут) |
Заключение
Интерес к метеоритам вызван тем, что они являются образцами внеземного вещества. Изучая его, мы можем прикоснуться к истории образования космических тел и структуре Вселенной, узнать больше о метеоритах, ярких болидах, знаменитых метеоритных дождях, познать тайны загадочных астрономических явлений.
Земная атмосфера – это не только воздух, которым мы дышим, но еще и наша защита от космических опасностей. Метеориты – это то немногое, что через этот щит смогло пробиться. Полет через земную атмосферу для метеорита – это серьезное испытание, пройти его удается только потеряв почти всю свою массу. Но то немногое, что достигает Земли, как ни удивительно, сохраняет неизменной свою внутреннюю структуру. Задача человека – найти эту редкость, изучить, а полученные знания направить на благо человечества.
В ходе работы мне удалось решить все поставленные задачи: я познакомился с историей развития науки метеоритики, привёл классификацию метеоритов, рассмотрел их жизненный цикл, провёл исследование фрагмента метеорита и космическое наблюдение падающего метеороида, а также нашёл подтверждение того, что метеориты посещали территорию современной Ярославской области. По итогам выполнения данной работы у меня появилось желание провести исследование каменного метеорита, посетить музей внеземного вещества Российской Академии Наук в Москве и осуществить настоящее астрономическое наблюдение с использованием мощного телескопа. Возможно, в будущем мне посчастливится посетить астроблему и самому найти осколок небесного странника – метеорита.
Список источников
Енгалычев С.Ю. Метеоритные кратеры на севере Ярославской области. Геология XXI века. – Саратов: СО ЕАГО, 2007.
Коротцев О.Н. «Астрономия. Популярная энциклопедия» – «Азбука-классика», 2003.
Люхин А.М., Цельмович В.А., Губарь А.Ю., Цветнов А.В., Бабушкин М.В., Садоков Д.О. Серебро и импактные минералы в породах северо-западного обрамленияРыбинскоговодохранилища//Отечественнаягеология,2016,№ 4.
Перельман Я.И. «Занимательная астрономия» – Аванта, 2016.
Словарь геологических терминов и понятий. Составители: проф. Парначев В.П., проф. Вылцан И.А., проф. Танзыбаев М.Г., проф. Рудой А.Н., инж. Котельникова И.В. – Томский государственный университет, Томск, 1996.
Федынский В.В. «Метеоры. Популярные лекции по астрономии» – Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1956.
Метеоритное сообщество [Электронный ресурс]: Официальный сайт некоммерческой научной организации «The Meteoritical Society». – режим доступа www.meteoritical.org (дата обращения 18.11.2019).
Лаборатория метеоритики [Электронный ресурс]: Официальный сайт Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского. – режим доступа www.meteorites.ru(дата обращения 08.01.2020).
Календарь космических событий и явлений [Электронный ресурс]: Официальный сайт Московского планетария. – режим доступа www.planetarium-moscow.ru(дата обращения 24.12.2019).
Интерактивная карта звёздного неба [Электронный ресурс]: Сайт Stellarium Web. – режим доступа www.stellarium-web.org(дата обращения 03.01.2020).
Онлайн-телескопы астрофизической обсерватории[Электронный ресурс]: Официальный сайт Специальной астрофизической обсерватории Российской академии наук. – режим доступа www.sao.ru(дата обращения 03.01.2020).