Forskere har kartlagt hvordan steiner fra verdensrommet forandrer seg når de med høy hastighet trenger inn i jordens atmosfære. Ved å studere videoopptak og bilder fra 75 dokumenterte meteorittfall identifiserte de sju stadier som beskriver hvordan objektene blir til meteoritter.

Analysen viser at smelting og oppsplitting styrer hvor mye materiale steinen mister, hvor raskt den bremser, og hvor restene til slutt faller ned. Resultatene er publisert i tidsskriftet Meteoritics & Planetary Science.

«Vi trodde tidligere at faste bergarter fordampet på grunn av den enorme varmen og det sterke lyset som oppstår når de kolliderer med luften», sa hovedforfatter Peter Jenkins, meteoras astronom ved SETI-instituttet og NASAs Ames Research Center. «Men vi fant ut at massetapet først styres av smelting og deretter av oppsplitting.»

Sju stadier på vei gjennom atmosfæren

Forskerne konkluderte med at en kosmisk stein passerer gjennom sju ulike stadier på vei gjennom atmosfæren. I hvert stadium dominerer forskjellige fysiske prosesser som påvirker objektets utseende, bevegelse og endelige skjebne.

I det første stadiet, høyt over bakken, blir atmosfæren tett nok til at steinen lager en sjokkbølge foran seg. Når steinen kolliderer med luftmolekyler, varmes både overflaten og gassen rundt opp, og begge begynner å gløde. Det skaper lysstripen som vanligvis kalles en meteor eller et «stjerneskudd».

I det andre stadiet beveger meteoren seg inn i stadig tettere luft, og lysstyrken øker. Noen meteorer får også gjentatte variasjoner i lysstyrken. Disse kan vise hvor raskt de roterer. Blant objektene i undersøkelsen brukte de raskest roterende steinene mellom 0,5 og 5 sekunder på én full omdreining.

Et av tilfellene i studien var ildkulen som asteroiden 2023 CX1 skapte over Normandie i Frankrike 13. februar 2023. Meteoritter, kjent som Saint-Pierre-le-Viger-meteorittene, nådde bakken den dagen og ble senere funnet.

Smelting tar først over

I det tredje stadiet blir meteoren langt lysere og utvikler seg til en ildkule. Da er smelting den viktigste prosessen som får steinen til å miste materiale. Den kraftige luftstrømmen river smeltet materiale løs fra overflaten og danner dråper som fortsetter å fordampe etter at de har løsnet fra hovedlegemet.

«I laboratoriet kan vi ikke skape den mengden stråling som oppstår under en naturlig inntrengning i atmosfæren ved slike hastigheter», sa Eric Stern, tidligere ansatt ved NASAs Ames-senter og nå sjefsforsker i selskapet Hyperspace Technologies. «Steinen kunne ha blitt kraftig splittet opp og erodert, men da ville vi ikke forventet de mønstrene vi observerte i endringene i ildkulens lysstyrke.»

I det fjerde stadiet befinner ildkulen seg rundt 60 kilometer over bakken, og smeltingen når en forholdsvis stabil balanse. Lysstyrken holder seg da nesten uendret eller øker jevnt. Forskerne anslår at smelting alene til slutt kan fjerne opptil 40 prosent av steinens opprinnelige masse.

Når ildkulen synker inn i tettere luftlag, begynner det økende lufttrykket å splitte steinen. Dermed starter det femte stadiet. Biter løsner fra hovedlegemet, og det kan oppstå nye lysglimt.

Forskerne ble særlig overrasket over hvor tidlig oppsplittingen begynner. Steiner kan begynne å gå i stykker når lufttrykket mot forsiden bare er rundt en femtedel av styrken som er målt i meteoritter som er funnet på jorden. Forskerne antar at varmen under inntrengningen i atmosfæren, sammen med sprekker som har oppstått etter tidligere kollisjoner i verdensrommet, svekker steinene nok til å forklare dette.

Oppsplitting påvirker hvor fragmentene faller

Det er også i dette stadiet at den gjenværende steinen begynner å krympe raskt og bremse betydelig. Jo kraftigere den splittes opp, desto raskere mister den fart.

«Vi klarte å knytte denne oppbremsingen, som skyldes fragmentering, til tidligere matematiske beskrivelser basert på ablasjonsprosessen», sa studiens medforfatter Ståle Pilorz fra SETI-instituttet.

Forskerne fant dessuten at formen på steinen som overlever, kan påvirke hvor de minste fragmentene til slutt lander. Dersom den bakre delen fortsatt er intakt, skaper hovedlegemet en sone med lavere trykk bak seg. Denne sonen trekker de mindre bitene inn mot steinens spor.

«Modelleringen vår viser at så lenge baksiden av den kosmiske steinen er intakt, skaper steinen et vakuum i sporet sitt som fragmentene har en tendens til å strømme inn i», sa medforfatter Darell Robertson ved NASAs Ames Research Center. «Disse små meteorittene faller ned i et smalt belte.»

Det sjette stadiet begynner når den bakre delen av hovedsteinen til slutt går i stykker. Denne siste store oppsplittingen skaper et kraftig lysglimt og sprer fragmentene med større innbyrdes hastigheter. Fordi meteoren allerede har bremset betydelig, ser de siste lysglimtene vanligvis røde ut, i motsetning til de sterke grønne fargene som ofte vises tidligere i ferden.

«Denne siste oppsplittingen sender fragmentene bort med større relative hastigheter», sa Jenkins. «I tidligere fall la vi merke til at meteoritter som var tyngre enn rundt 20 gram, hadde en tendens til å spre seg over et større område, og at mange av dem kom fra den delen av steinens overflate som lå nær baksiden av det opprinnelige legemet.»

Den siste ferden mot bakken

Fragmentene som til slutt når jordoverflaten, er i utgangspunktet forholdsvis store. Før de lander, fortsetter de likevel å smelte og brytes opp, samtidig som de mister fart.

I det sjuende stadiet fortsetter disse prosessene til de gjenværende bitene har bremset så mye at de ikke lenger lager synlig lys. Når smeltingen stopper, blir et tynt ytre lag liggende på overflaten. Dette laget kalles en smelteskorpe. De mørklagte fragmentene fortsetter å falle, og vind i atmosfæren kan føre dem bort fra den opprinnelige banen før de treffer bakken som meteoritter.

Forskerne undersøkte 75 dokumenterte meteorittfall som omfattet flere typer kosmiske steiner. Ved å sammenligne hvordan de oppførte seg, kunne de fastslå i hvilken høyde ulike materialer går inn i hvert av de sju stadiene.

Observasjonene bidrar ikke bare til å forklare hvordan små meteoritter når jordoverflaten. De gir også informasjon om hvordan langt større asteroider kan oppføre seg – fra objekter på størrelse med en bil til objekter som tilsvarer hele bykvartaler, og som kan utløse kraftige eksplosjoner i atmosfæren.

Ved å måle hvordan ulike faste steiner bremser og brytes opp når de trenger inn i atmosfæren, kan forskerne få bedre forståelse av prosessene som avgjør hvordan potensielt farlige asteroider eksploderer i atmosfæren.

«Asteroider som er flere titalls meter store, består også av fast berg, fordi de vanligvis roterer raskere enn de største asteroidene, som består av løst materiale», sa Jenkins. «Asteroiden med en diameter på 20 meter som forårsaket eksplosjonen over Tsjeljabinsk i Russland i 2013, gikk gjennom de samme stadiene.»