По магнитному следу: поиск невидимых метеоритов

Учитывая, что Земля не существует отдельно от необъятного Космоса, неудивительно, что на ее поверхность ежедневно падает от 44 до 100 тонн метеоритов. Благо, что львиную долю занимают микрометеориты, т.е. объекты, размеры которых варьируются от 10 мкм до 2 мм (а по стандартам IAU так и вовсе субмиллиметровые объекты). Мы уже рассматривали исследование, в котором ученые разработали метод поиска столь мелких гостей из Космоса. С крупными экземплярами должно быть проще, не так ли? Оценили примерное место падения, поехали туда, нашли кратер и вуаля. Но что делать, если метеорит упал уже очень давно, и кратера видно не будет? Ученые из Аляскинского университета в Фэрбенксе (США) нашли решение этой проблемы. Секрет методики заключается в намагниченности. Как именно работает методика, насколько она точна, и сколько метеоритов удалось с ее помощью найти? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Дабы проверить работоспособность своего метода ученые выбрали место, где поиски точки падения метеорита не нужны — астроблема* Санта-Фе. Эта зона площадью от 6 до 12 км2 представляет собой ударный кратер* болида в горах Сангре-де-Кристо к северо-востоку от Санта-Фе, штат Нью-Мексико (1A).

Ударный кратер* — углубление, появившееся на поверхности небесного тела при падении тела меньшего размера. Если углубление имеет диаметр более 2 км, то оно называется астроблемой.

По примерным оценкам само падение (т.е. импакт) произошло примерно 350-1472 миллионов лет назад, о чем свидетельствует наличие цирконов* в зоне воздействия. На сегодняшний день на поверхности гор остались только скалы фундамента кратера.

Циркон* — минерал, ортосиликат циркония ZrSiO4, содержащий 1-4% гафния, изоморфно замещающего цирконий в кристаллической решетке.

Ученые отмечают, преимущество астроблемы Санта-Фе заключается в том, что это глубоко эродированная структура, которая обнажает глубокие породы, недоступные в неэродированных астроблемах, и, таким образом, представляет собой уникальное свидетельство того, что открытый глубинный материал подвергается прохождению ударной волны. Эродированная глубинная порода представляет собой метаморфизованный протерозойский гранитоид* (1.7–1.4 миллиардов лет).


Изображение №1

Гранитоиды* — общее название группы горных пород магматического, реже метасоматического происхождения, кислого состава (более 62 % SiO2).

Хорошо развитые конусы разрушения*, содержащие ударный кварц, подтверждают, что этот гранитоид (1B1D) был модифицирован ударным давлением во время импакта.

Конус разрушения* — конусообразное уплотнение материала вследствие его удара твердым предметом или падение на твердый предмет.

В то время как конусы разрушения указывают на местоположение остатка центрального поднятия астроблемы, нет других морфологических свидетельств, подтверждающих наличие кратера. Другими словами, эта область идеально подходит для проведения исследования, так как позволяет подтвердить (или опровергнуть) падение на нее внеземного объекта.

Главная задача ученых заключалась в том, чтобы изучить влияние ударного давления, которое приводит к образованию конусов разрушения и плоских деформаций (5-30 ГПа), на естественную остаточную намагниченность (NRM от natural remanent magnetization).

Вблизи эпицентра импульс энергии удара будет генерировать высокие ударные давления и температуры, при которых жидкий кремнезем может испытывать всплески (105–106 См/м, т.е. сименс на метр) в электропроводности. В то же время вдоль поверхности будет находиться высокотемпературная плазма, превышающая 10000 К (в зависимости от скорости падающего объекта). Скорости удара (> 20 км/с) превышают скорости упругих волн подложки и приводят к избыточному давлению > 100 ГПа и скоростям частиц, превышающим 12 км/с. При этом давление рассеивается по мере удаления от эпицентра падения.

Применение уравнения Гюгонио* к большим астроблемам на Марсе при магнитном анализе горных пород, подвергшихся удару даже при давлении всего в 1 ГПа, показывает наличие достаточного уровня энергии для размагничивания части намагниченности горных пород.

Уравнение Гюгонио (ударная адиабата)* — математическое соотношение, связывающее термодинамические величины до ударной волны и после. Ударная адиабата представляет геометрическое место точек конечных состояний вещества за фронтом ударной волны при заданных начальных условиях и описывает эти термодинамические состояния независимо от агрегатного состояния вещества.

Следовательно, имеются доказательства того, что конусы разрушения и элементы плоской деформации, испытывающие давление в 5-30 ГПа, рассеиваемое из полей гораздо более высокого давления, могут быть связаны с уникальными магнитными свойствами. Другими словами, в данном исследовании есть смысл, подкрепленный анализом импактов на Марсе.

Методика анализа импактов

Линейная зависимость в слабых полях между магнитным полем и интенсивностью термической остаточной намагниченности (TRM от thermal remanent magnetization) предполагает, что простое сравнение между естественной остаточной намагниченностью (NRM от natural remanent magnetization), состоящей только из одного компонента, и лабораторным TRM в известном поле может обеспечить оценку интенсивности геомагнитного поля, при котором порода приобрела свою намагниченность в виде термической остаточной и/или химической остаточной.

Однако, как признают ученые, есть несколько сложностей. Во-первых, необходимо изолировать единичное намагничивание, регистрирующее единичное событие. Во-вторых, магнитные носители этой намагниченности не должны необратимо изменяться при нагревании.

Работы Иоганна Кенигсбергера, а также Эмиль и Одетт Телье стали основой для общепринятого решения с точки зрения методов двойного нагрева, использующих закон частичного TRM (pTRM от partial thermal remanent magnetization). Данный метод в последствии был назван в честь ученых методом KTT (Koenigsberger-Thellier-Thellier method). Эти KTT методы прогрессивного двойного нагрева были разработаны для обнаружения эффекта необратимых изменений, вызванных нагреванием. Однако, Телье выразил мнение, что этот метод будет работать только с керамикой.

С момента появления KTT методов предпринималось немало попыток их улучшить. В частности посредством проведения измерений не при низкой температуре, а при комнатной, чтобы эффекта взаимодействий при более низких температурах. Но новый метод столкнулся с дополнительными сложностями из-за изменения насыщения намагниченности с изменением температуры.

Другие же ученые решили проследить характер изменений, происходящих во время нагрева. К примеру, чтобы смягчить эффект нагрева, Джон Шоу в 1974 году разработал метод безгистерезисной остаточной намагниченности (ARM от anhysteretic remanent magnetization), который сокращает время нагрева, но все же включает сравнение между NRM и TRM («A New Method of Determining the Magnitude of the Palaeomagnetic Field: Application to five historic lavas and five archaeological samples«).

Затем был еще метод нормализации ARM без нагрева. В еще одной попытке избежать эффектов нагрева можно использовать самый простой метод нормализации, а именно с помощью сатурации изотермической остаточной намагниченности (SIRM от saturation isothermal remanent magnetization). Именно этот метод ученые и решили использовать для анализа образцов из Санта-Фе.

В породах земной коры есть два процесса, которые регистрируют палеомагнитную информацию. Первый процесс происходит, когда магнитный минерал постоянного объема проходит температуру блокировки*, и флуктуирующие магнитные моменты внутри минерала взаимодействуют с и поддаются влиянию внешнего магнитного поля (если оно присутствует).

Температура блокировки* — при низких температурах тепловая энергия становится меньше, и магнитные моменты блокируются.

Второй процесс происходит, когда магнитный минерал растет через блокирующий объем однородно распределенных магнитных диполей внутри минерала, и минерал начинает взаимодействовать с внешним полем (если оно присутствует) при фиксированной температуре.

Намагниченности, полученные в результате первого и второго процессов, представляют собой термическую остаточную (TRM) и химическую остаточную намагниченность (CRM от chemical remanent magnetization) соответственно. Оба эти процессы с одинаковой эффективностью способствуют общей записи палеополей*.

Палеополе* — магнитное поле, активное в определенное время в геологическом прошлом.

Методы оценки палеополей основаны на лабораторных манипуляциях с образцами путем придания им искусственного TRM и сравнения с первоначально оцененной намагниченностью.

Результаты исследования


Изображение №2

На изображении №2 показана карта распределения фрагментов исходного образца SF01 (фото на 1B). Этим фрагментам были присвоены специальные метки (2B), чтобы показать, как направление намагниченности варьируется между фрагментами.

Ученые попытались использовать метод двойного нагрева на образце SF02, но он оказался ненадежным, так как при температуре 300 °C наблюдались значительные изменения образца. Посему было решено анализировать четыре фрагмента образца SF02 при комнатной температуре (изображение №4).

Стереографическая проекция слева на 2B (AD10) показывает направление остаточной намагниченности после того, как образцы из SF01 были подвергнуты воздействию переменного поля 10 мТл, чтобы очистить их от загрязнений, возникающих при контакте ученых с образцом.

В то время как относительная ориентация остается постоянной в пределах конуса в 5°, AD10 показывает, что соседние образцы имеют противоположные магнитные направления, распределенные в конусе под углом более 120°. Когда размагничивание образцов увеличивалось с использованием переменного поля 20 мТл (AD20 на 2B), распределение увеличивалось и покрывало противоположную полусферу с конусом более 180°. Затем все образцы размагнитили, используя переменное поле 50 мТл, и полученное распределение охватывало более или менее полные 360°, указывая на полностью случайные магнитные направления (AD50 на 2B).


Изображение №3

На изображении 3A показан механизм размагничивания NRM образца 21D. Первоначальное направление естественной остаточной намагниченности обозначено крестиком. Размагничивание на 3, 5, 7, 10, 15, 20, 30, 40 и 50 мТл показано точками, соединенными прямой линией.

После 10 мТл размагничивания направление остается таким же, как показано на AD10 (2B). При увеличении размагничивания до 15 и 20 мТл магнитное направление начало дрейфовать в горизонтальной плоскости. Направление после 20 мТл размагничивания показано на AD20 (2B).

Последние три воздействия на образец размагничивающих полей (30, 40 и 50 мТл) привели к дрейфу намагниченности в сторону перевернутой полусферы. Направление после 50 мТл размагничивания показано на AD50 (2B).

Отслеживание направления на стереографической проекции указывает на изменение направления намагниченности, в то время как на нижнем графике 3A показано изменение амплитуды остаточной намагниченности.

По данным видно, что во время первых трех этапов размагничивания (3, 5 и 10 мТл) намагниченность быстро уменьшалась. Пока направление намагниченности оставалось неизменным, сила намагниченности успела снизиться на 50%.

Когда уровень размагничивания достиг 15 и 20 мТл, скорость размагничивания уменьшилась, но при этом магнитное направление начало смещаться. После 30 мТл снижение намагниченности было слабым, но смещение его направление продолжалось.

Справа на 3A показан график, объединяющий данные о направлении и интенсивности остаточной намагниченности. На этом графике размагничивание вектора остаточной намагниченности показано в двух перекрывающихся проекциях, где верхний четырехугольник показывает +X, +Y для горизонтальной плоскости и -Z, +Y для вертикальной плоскости. Когда эти данные показывают прямые линии, горная порода содержит один компонент намагниченности.

После полного размагничивания образцов их подвергли воздействию импульсного магнитного поля в 1 Тл, а затем повторили всю процедуру размагничивания (3B).

Наборы данных о размагничивании NRM и SIRM, полученные из образцов, позволили ученым оценить палеополе этих образцов.


Изображение №4

Выше показано сравнение окружающего геомагнитного поля и палеополей для всех фрагментов. Значения палеонапряженности для образца SF01 покрывают диапазон от 1 до 8 мкТл для низких уровней размагничивания (0-3 мТл). После обработки образцов переменным полем в 5-20 мТл, интенсивность палеополей быстро падала до 0.8-2.0 мкТл. Дальнейшее размагничивание образцов никак не влияло на этот показатель (он оставался на уровне между 0.8 и 2.0 мкТл).

Фрагменты из SF02 не показали изменений палеонапряженности для слабого поля размагничивания и оставались около 1 мкТл во всем диапазоне палеомагнитных полей.

На 4B показано, что для фрагментов образца SF01 требовалось менее 20 А/м для размагничивания около 50% их намагниченности. Но вот для фрагментов из SF02 требовалось более 30 А/м для достижения такого же результата. Аналогичная картина наблюдалась и в отношении размагничивания NRM (4D).

На 4C показан пример определения температуры Кюри фрагментов из образцов SF01 и SF02. Оба образца показали примерно постоянную магнитную восприимчивость, которая внезапно упала при 575 °C. Это указывает на то, что порода астроблемы Санта-Фе содержит магнетит. Во время охлаждения образец SF01 показал повышение восприимчивости до того же уровня, что и во время нагревания. Однако образец SF02 показал значительно меньший уровень магнитной восприимчивости после охлаждения до температуры Кюри магнетита из-за изменений, происходящих во время нагрева.

Рентгеноструктурный анализ образца SF01 показал, что в нем присутствует не только магнетит, но и гематит в приблизительном соотношении 3/1 (23% гематита к 8% магнетита).

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

Вышеописанные наблюдения говорят о том, что астроблема Санта-Фе действительно является местом удара внеземного объекта. Во время столкновения кинетическая энергия преобразуется в тепло, пар и плазму — газ, в котором атомы разделяются на свободные отрицательные электроны и положительные ионы. Разработанный учеными метод позволяет определить, что в Санта-Фе во время удара образовалась плазма.

Любая порода обладает определенным уровнем намагниченности. Во время прохождения ударной волны этот показатель временно меняется. Ученые обнаружили, что во время падения метеорита в Санта-Фе ударная волна изменила характеристики атомов в горных породах. Конечно, эти изменения могли быть обратимы, если бы не влияние ударной волны на магнитное поле в области падения. В результате порода не могла восстановить примерно 2-3% от своей первоначальной намагниченности. Причиной тому является именно плазма, увеличившая электрическую проводимость горных пород, преобразующихся в пар и расплавленный материал во время удара.

Ученые отмечают, что подобное ослабление магнитного поля наблюдалось и в зоне падения Тунгусского метеорита и на ядерных полигонах. Разработанный метод в свою очередь позволяет подтвердить факт падения внеземного объекта. Важно и то, что наблюдаемые изменения, по словам ученых, не могут быть результатом какого-либо естественного процесса. Другими словами, если в исследуемой области наблюдается что-то подобное, то можно гарантировать, что там либо проводились ядерные испытания, либо упал метеорит.

Польза этого метода заключается в том, что его можно использовать для обнаружения мест падения метеоритов, которые другими методами найти сложно, ввиду отсутствия кратера или других морфологических изменений окружающей породы.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. 🙂

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

 

Источник

Читайте также

Меню