为什么很多陨石是锥状?新研究揭示“锥形定向陨石”的答案

Fluid Dynamics
2019年8月21日
上海纽约大学

当你对着流星许愿时,是否想过它是如何形成的?小行星从太空进入大气层后,会与大气发生摩擦并燃烧,燃烧时产生的光迹,便是我们熟知的流星。但在这刹那的光热闪现之后,这些流星会何去何从?为什么陨石研究人员发现,落在地球上的流星残骸很多都是圆锥形的?

上海纽约大学物理学、数学教授张骏纽约大学数学副教授Leif Ristroph,博士生黄金紫,以及本科生Khunsa Amin和Kevin Hu组成的科研团队开展了一项研究,通过对流体力学的研究,解释了为什么很多陨石会最后变为锥体。他们的研究对流星在地球大气层飞行过程中的稳定性和所遭遇的烧蚀如何导致其“理想形状”的形成,提出了新的见解。这项研究成果于近日发表在《美国国家科学院院刊》上。

 

meteorites

(A)2013年俄罗斯车里雅宾斯克小行星撞击事件中的定向陨石,宽度12厘米。图片由Christie's Images Limited提供(B)来自美国亚利桑那州阿达玛那的陨石(宽15厘米),图片由摄影师Marcin Cimala提供 (C)来自吉尔吉斯斯坦卡拉科尔的陨石(宽14厘米),图片由摄影师Dmitry Badyukov提供 (D)通过水蚀雕刻粘土,图片由纽约大学应用数学实验室提供。

 

张骏教授表示,他们在2012年进行的一项关于流体侵蚀的研究为此次项研究奠定了基础。“当时,我们注意到,形状重塑与稳定机制之间存在着某种联系,并发现,在一个开放的流体中,每个物体的形状都会被流体重塑、打磨,最终形成一个锥形结构......后来我们逐渐意识到,流星锥体形态的形成可能与这项早前的研究发现有关。”

为了探索锥形陨石的形成原理,研究人员在一个人为控制的环境中模拟了大气状态,并设计了两组不同的实验。在第一组实验中,研究人员用稳定的水流来模拟大气中空气与陨石的相对流动,并将用粘土塑造的物体放置其中;在第二组实验中,研究人员将不同形状的圆锥体放入水中,观察它们在自由落体过程中的轨迹和稳定性。

 

Snapshots

快照记录了铝制锥体在水中下落时的下降、翻转过程。这些锥体展现出颠倒、翻滚、滑行、定向飞行、摇摆和颤动的特征行为。点击观看视频。

 

研究人员从这两组互补实验的结果中得到了一个启示。“我们的研究说明了物体形状对其直线飞行能力的影响,揭示了一个存在已久的谜团——为什么许多坠落在地球上的陨石是锥形的。”Ristroph解释道。

“因为陨石在大气层飞行过程中会被融化、烧蚀和重塑,所以在到达地表的时候,形状会发生改变,”Ristroph教授说。 “虽然大多数陨石的最初形态是随机的,但令人惊讶的是,其中约有25%是‘定向陨石’,有的看上去接近于一个完美的锥体。”

与放在水中的粘土物体不同的是,在实际飞行中,流星不会待在某个固定位置,而是会自由地转动、翻滚、旋转。 其中,第二组实验旨在探究“是什么让陨石保持固定方向的运动,并最终抵达地球。”

“细长或狭窄的锥体在飞行中会翻转、翻滚,而宽锥体则会颤动并来回摇摆。但我们发现在这两种形状之间,存在着一种特殊锥体,它们的顶点在前,一直笔直飞行,”Ristroph教授说, “令人惊喜的是,这些飞行角度‘恰到好处’的‘金发姑娘’(Goldilocks)的锥形陨石,与我们实验中被侵蚀后的黏土物体,以及现实中锥形陨石的形状完全匹配。”

“这次研究不仅帮助我们理解了锥体陨石形态的形成原因,还将我们的研究视野从流体力学拓展到了天体物理学,”张骏教授说, “这项为期一年的实验,有机地衔接了我们早前的一项水蚀研究,以及以后要进行的地球地幔和地核的动力学研究。”

此次的研究,是过去十年里张骏教授、Ristroph教授和其他几位科学家开展的多项研究中的一项 。张骏教授表示,他和研究伙伴一直对流体动力学领域深感兴趣,“因为流体动力学至关重要,它与我们的日常生活息息相关。我们每时每刻呼吸的空气,我们的生命之源‘水’都是流体。气流、飞行、交通,生活中的方方面面几乎都与流体有关,所以,我自然而然地对流体动力学产生了研究兴趣。”