¿Qué sucede cuando un meteorito golpea la atmósfera?

Las simulaciones de XSEDE Stampede 2 están ayudando a revelar la física de lo que sucede cuando un meteoro golpea la atmósfera. Agrandar imagen.
Crédito:
CC BY-SA 4.0 (Jacek Halicki) 

En los cielos de arriba, están lloviendo escombros. 

Cada segundo, millones de pedazos de escombros que son más pequeños que un grano de arena golpean la atmósfera superior de la Tierra. A unos 100 kilómetros de altitud, piezas de polvo, principalmente escombros de colisiones de asteroides, zumban por el cielo y se vaporizan a medida que avanzan de 10 a 100 veces la velocidad de una bala. Los más grandes pueden dejar rayas en el cielo, meteoros que nos dejan sin aliento.  

Los científicos están utilizando supercomputadoras para ayudar a comprender cómo los meteoroides diminutos, invisibles a simple vista, liberan electrones que pueden ser detectados por el radar y pueden caracterizar la velocidad, la dirección y la tasa de desaceleración del meteoroide con alta precisión, lo que permite determinar su origen. Debido a que este polvo espacial que cae ayuda a sembrar las nubes que producen lluvia, esta investigación básica sobre meteoros ayudará a los científicos a comprender mejor la química de la atmósfera terrestre. Además, la composición de los meteoros ayuda a los astrónomos a caracterizar el entorno espacial de nuestro Sistema Solar. 

Por qué es importante

Los meteoros juegan un papel importante en la ciencia de la atmósfera superior, no solo para la Tierra sino también para otros planetas. Permiten a los científicos diagnosticar lo que hay en el aire utilizando un LIDAR de detección remota con láser pulsado, que rebota en el polvo (meteoro) para revelar la temperatura, la densidad y los vientos de la atmósfera superior.  

Los científicos también rastrean con un radar el plasma generado por los meteoros, determinando qué tan rápido se mueven los vientos en la atmósfera superior observando qué tan rápido se mueve el plasma. Es una región que es imposible de estudiar con satélites, ya que la resistencia atmosférica a estas altitudes hará que la nave espacial vuelva a entrar en la atmósfera. 

La investigación de los meteoros se  publicó  en Junio de 2021 en la revista Journal of Geophysical Research: Space Physics of the American Geophysical Society.  

Creando simulaciones para estudiar el proceso de ablación e intrepretar las observaciones con radar

En él, el autor principal Glenn Sugar de la Universidad Johns Hopkins desarrolló simulaciones por computadora para modelar la física de lo que sucede cuando un meteoro golpea la atmósfera. El meteoro se calienta y arroja material a velocidades hipersónicas en un proceso llamado ablación. El material derramado choca contra las moléculas atmosféricas y se convierte en plasma brillante.  

«Lo que estamos tratando de hacer con las simulaciones de meteoros es imitar ese complejo proceso de ablación, para ver si entendemos la física que está sucediendo; y también desarrollar la capacidad de interpretar observaciones de alta resolución de meteoros, principalmente observaciones de meteoros con radar», dijo el coautor del estudio Meers Oppenheim, Profesor de Astronomía en la Universidad de Boston. 

Grandes antenas de radar, como el icónico pero ahora desaparecido telescopio de radar de Arecibo, han registrado múltiples meteoros por segundo en una pequeña porción de cielo. Según Oppenheim, esto significa que la Tierra está siendo golpeada por millones y millones de meteoros cada segundo. 

«Interpretar esas medidas ha sido complicado», dijo. «Saber lo que estamos mirando cuando vemos estas medidas no es tan fácil de entender». 

Las simulaciones en el documento básicamente configuran una caja que representa un trozo de atmósfera. En el medio de la caja, se coloca un pequeño meteoro que arroja átomos. Las simulaciones en el dominio del tiempo de diferencia finita de partículas en la celda se utilizaron para generar distribuciones de densidad del plasma generado por átomos de meteoros a medida que sus electrones se eliminan en colisiones con moléculas de aire. 

La magnitud del campo eléctrico al cuadrado del campo total (fila superior) y el campo disperso (fila inferior) en el plano yz (columna izquierda) y el plano xy (columna derecha) después de que un pulso incidente encuentra el centro de meteorito sobredenso usando el modelo de distribución de plasma de Dimant- Oppenheim. 
Crédito:
Sugar et al.

«Los radares son realmente sensibles a los electrones libres», explicó Oppenheim. «Se hace un gran plasma cónico que se desarrolla inmediatamente frente al meteoro y luego es barrido detrás del meteoro. Eso es lo que observa el radar. Queremos poder pasar de lo que ha observado el radar al tamaño de ese meteoro. Las simulaciones nos permiten aplicar ingeniería inversa a eso». 

El objetivo es poder observar la intensidad de la señal de las observaciones de radar y poder obtener características físicas del meteoro, como el tamaño y la composición. 

«Hasta ahora solo hemos tenido estimaciones muy crudas de eso. Las simulaciones nos permiten ir más allá de las simples estimaciones crudas», dijo Oppenheim. 

Cómo ayudó XSEDE

“La teoría analítica funciona realmente bien cuando se puede decir: ‘Está bien, este fenómeno único está sucediendo, independientemente de estos otros fenómenos’. Pero cuando todo sucede a la vez, se vuelve muy complicado. Las simulaciones entonces se convierten en la mejor herramienta», dijo Oppenheim.  

Oppenheim fue galardonado con tiempo de supercomputadora por el ‘Extreme Science and Engineering Discovery Environment’ (XSEDE) en la supercomputadora Stampede2 de TACC para las simulaciones de meteoros.

«Ahora realmente podemos usar el poder de Stampede2, esta supercomputadora gigante, para evaluar la ablación de meteoros con increíble detalle», dijo Oppenheim. «XSEDE hizo posible esta investigación al facilitarme a mí, a los estudiantes y a los investigadores asociados aprovechar las ventajas de las supercomputadoras».  

«Los sistemas están bien administrados», agregó. «Usamos muchos paquetes matemáticos y paquetes de almacenamiento de datos. Todos están pre compilados y listos para que los usemos en XSEDE. También tienen buena documentación. Y el personal de XSEDE ha sido muy bueno. Cuando nos encontramos con un cuello de botella o un obstáculo, ellos fueron muy serviciales. Ha sido una gran recurso tenerlos»

Los astrónomos están a pasos agigantados por delante de donde estaban hace 20 años en términos de ser capaces de modelar la ablación de meteoros. Oppenheim se refirió a un estudio de 2020 dirigido por Gabrielle Guttormsen, estudiante de la Universidad de Boston, que simula la ablación de un meteoro diminuto para ver qué tan rápido se calienta y cuánto material burbujea. 

Distribuciones de frecuencia de plasma representativas utilizadas en simulaciones de ablación de meteoros. 
Crédito:
Sugar et al.

Tres Simulaciones con diferentes escalas de tiempo para modelar la ablación

La física de la ablación de meteoros es muy difícil de hacer con cálculos con lápiz y papel, porque los meteoros son increíblemente heterogéneos, dijo Oppenheim. «Básicamente estás modelando explosiones. Toda esta física ocurre en milisegundos, cientos de milisegundos para los más grandes, y para los bólidos, las bolas de fuego gigantes que pueden durar unos segundos, estamos hablando de segundos. Son eventos explosivos.»  

El equipo de Oppenheim modela la ablación desde los picosegundos, que es la escala de tiempo en que el meteoro se desintegra y los átomos interactúan cuando las moléculas de aire chocan contra ellos. Los meteoros viajan a menudo a velocidades feroces de 50 kilómetros por segundo o incluso hasta 70 kilómetros por segundo.   

Oppenheim describió tres tipos diferentes de simulaciones que está realizando para atacar el problema de la ablación de meteoros. En primer lugar, utiliza la dinámica molecular, que analiza los átomos individuales cuando las moléculas de aire chocan contra las partículas pequeñas con una resolución de tiempo de picosegundos. A continuación, usa un simulador diferente para observar lo que sucede cuando esas moléculas se alejan, y luego las moléculas independientes chocan contra las moléculas de aire y se convierten en un plasma con radiación electromagnética. Finalmente, toma ese plasma y le lanza un radar virtual, escuchando los ecos allí.  

Hasta ahora, no ha podido combinar estas tres simulaciones en una. Es lo que él describe como un ‘problema rígido’, con demasiadas escalas de tiempo para que la tecnología actual maneje una simulación autoconsistente.   

Mirando hacia el futuro

Oppenheim dijo que planea solicitar tiempo de supercomputadora en la  supercomputadora Frontera de TACC, financiada por NSF, la supercomputadora académica más rápida del planeta. «Stampede2  es buena para muchas pruebas más pequeñas, pero si tienes algo realmente masivo, Frontera está hecha para eso», dijo. 

Oppenheim dijo: «Las supercomputadoras brindan a los científicos el poder de investigar en detalle los procesos físicos reales, no modelos de juguetes simplificados. En última instancia, son una herramienta para probar numéricamente ideas y llegar a una mejor comprensión de la naturaleza de la física de los meteoros y todo lo que existe en el universo.» 

Subvenciones: NSF AGS-1244842, AGS-1056042, AGS-1755020, AGS-1833209 y AGS-1754895. Asignación XSEDE TG-ATM100026 

Fuente: The Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) / Texas Advanced Computing Center (TACC) / National Science Foundation (NSF).

Artículo original:What Happens When a Meteor Hits the Atmosphere?Jorge Salazar. Octubre 21, 2021.

Material relacionado

¿Cuánto polvo cae sobre la atmósfera de la Tierra cada año? ¿Afecta la gravedad de nuestro planeta?

El polvo de las colisiones entre asteroides y cometas, y también los restos de la formación de los planetas, es ocasionalmente visible como un parche en forma de triángulo llamado luz zodiacal (a la derecha de esta imagen). Este polvo se encuentra en el mismo plano que los cuerpos principales del Sistema Solar.
Crédito: ESO / Y. Beletsky (LCO).

Creemos que el polvo en nuestro Sistema Solar (a menudo llamado «polvo cósmico») se origina en gran parte de las colisiones entre los cuerpos de asteroides, además de los cometas activos, ya que arrojan material durante su paso por el Sistema Solar Interior. Los científicos estiman que aproximadamente 100 toneladas métricas de este polvo cósmico ingresan a la atmósfera de la Tierra todos los días. Esta estimación proviene de datos de naves espaciales que han medido las cantidades de polvo en el Sistema Solar Interior y también de micro meteoritos y polvo interplanetario recogido en la superficie de la Tierra.

Entonces, el polvo cósmico agrega alrededor de 40,000 toneladas métricas por año a la masa de la Tierra. Aunque esto pueda parecer una cantidad muy grande, de hecho es minúscula en comparación con la masa de nuestro planeta (alrededor de 6.000 billones de toneladas métricas). Por tanto, no afecta de manera significativa la fuerza gravitacional que ejerce nuestro planeta en la actualidad.

Lo anterior es una traducción del artículo:

¿Cuánto polvo extraterrestre cae (alcanza la superficie) cada año a la Tierra?

Micrografía electrónica de un micrometeorito Concordia extraído de las nieves antárticas en el Domo C.
Crédito: Cécile ENGRAND / Jean DUPRAT.

Cada año, nuestro planeta encuentra polvo de los cometas y asteroides. Estas partículas de polvo interplanetario atraviesan nuestra atmósfera y dan lugar a estrellas fugaces. Algunas de ellas llegan al suelo en forma de micro meteoritos. Un programa internacional, ha determinado que 5.200 toneladas anuales de estos micro meteoritos llegan al suelo. El programa fue realizado durante casi 20 años por científicos de instituciones francesas.

El polvo espacial revela la historia del Sistema Solar

Caído del cielo
Crédito: Kevin Clifford / AP.

Cuando limpias tu casa, probablemente estés aspirando el polvo del espacio. No bromeo. Es el mismo polvo que alguna vez fue parte de cometas y asteroides. Ves ese polvo en el tenue resplandor que ayuda a crear antes del amanecer y después del atardecer. Cada año llegan a la Tierra 40.000 toneladas de polvo espacial.

Si bien ese hecho puede no estar en duda, existe un gran debate sobre de dónde proviene este polvo. La mayor parte, lo sabemos, desciende en espiral desde la nube de polvo interplanetaria, una vasta franja de polvo que se extiende en forma de disco alrededor del Sol. Pero, ¿dónde se originó exactamente esta nube de polvo?

La publicación a continuación lo aborda.

Polvo residual de meteoros y nubes noctilucentes

En verano, la mesosfera es más húmeda, ya que el aire relativamente húmedo que circula desde la atmósfera inferior trae más vapor de agua. El polvo de meteorito proviene de los meteoros, que se convierten en polvo cuando caen en picado y se queman a través de la atmósfera. Las nubes noctilucentes se forman cuando las moléculas de agua se unen alrededor del polvo fino y de otro mundo y se congelan.

Curiosidades

¿Cuál es el origen del polvo interplanetario?

Ver Animación_Los científicos que utilizan datos de la Sonda Solar Parker (Parker Solar Probe) de la NASA han reunido la imagen más completa hasta ahora de la estructura interna y el comportamiento de la gran nube de polvo espacial, conocida como la nube zodiacal, que se arremolina por todo el Sistema Solar. Encontraron tres poblaciones de polvo en la nubeLa mayoría de los granos están siendo arrastrados lentamente hacia el Sol (alfa-meteoroides); la segunda población se genera cuando los granos en la nube arremolinada chocan, creando fragmentos tan pequeños que son expulsados ​​del Sistema Solar en todas direcciones por la presión de la luz solar (beta-meteoroides); y un tercer grupo, probablemente creado cuando un «tubo» de desechos cometarios choca con los granos de las dos primeras poblaciones, que se dispersa en una forma de cuña distintiva. 
Créditos: Animación de Mike Buckley, Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins / NASA.
Marcar el enlace permanente.

Comentarios cerrados.