Esplosioni di bolidi in atmosfera

Abbiamo già parlato del fenomeno dei bolidi, ossia di meteore eccezionalmente luminose provocate dalla caduta in atmosfera, con velocità di decine di km/s, di meteoroidi di notevoli dimensioni, dell’ordine del metro o più di diametro. In quest’articolo ci concentreremo sull’aspetto statistico del fenomeno, illustrandone le caratteristiche che escono da una breve analisi dei dati osservati.

Fisica dei bolidi

Durante la fase di caduta in atmosfera, un meteoroide viene rallentato violentemente dall’attrito. Nella parte frontale del meteoroide si sviluppa un’onda d’urto in cui i gas atmosferici vengono compressi e riscaldati fino a raggiungere temperature dell’ordine di 2500 K. Parte dell’energia prodotta da questa bolla di plasma viene irraggiata verso il meteoroide che si riscalda e fonde: è questa la causa del processo di ablazione, ossia della perdita di massa del meteoroide. Nella maggior parte dei casi il meteoroide non resiste alle sollecitazioni termiche e di pressione e si frammenta. La frammentazione aumenta la quantità di atmosfera intercettata e quindi aumenta l’ablazione e la frenata atmosferica. Il meteoroide si disintegra in modo catastrofico quando la forza esercitata dalla differenza di pressione sui lati anteriore e posteriore supera la resistenza del materiale di cui è composto. Questo limite viene raggiunto prima per i meteoroidi rocciosi, mentre quelli metallici sono corpi maggiormente coesi e resistono meglio al passaggio in atmosfera. In generale i meteoroidi che generano i bolidi non sono abbastanza grandi per sopravvivere al passaggio attraverso l’atmosfera terrestre. Tuttavia i frammenti che si generano nell’esplosione del meteoroide possono raggiungere il suolo in volo libero ed essere recuperati. In questo caso si parla di meteoriti.

I bolidi osservati dai satelliti militari USA

Per motivi di sicurezza nazionale la superficie terrestre viene tenuta sotto costante sorveglianza da parte dei satelliti militari immessi in orbita geocentrica dalle grandi potenze: USA, Russia e Cina. Chiaramente vengono raccolti dati anche sulle maggiori esplosioni di bolidi in atmosfera che non servono per fini militari ma possono essere utili per la ricerca scientifica sui meteoroidi.

Per fortuna, i dati raccolti sui bolidi dai satelliti degli Stati Uniti sono pubblici e l’intero database, che si riferisce al periodo che parte dal 15 aprile 1988 in avanti, è scaricabile dal sito del Center for NEO Studies (CNEOS) del JPL della NASA. La tabella dei dati fornisce informazioni sulla data e l’ora di ogni evento, le coordinate geografiche, la quota e velocità al momento della massima luminosità e una stima dell’energia totale emessa in atmosfera (vedi Figura 1). Il catalogo non è completo, si trovano solo i bolidi più energetici. L’energia rilasciata dal bolide è misurata in Joule, l’unità di misura standard della fisica. Un’altra unità di misura dell’energia usata molto spesso in campo militare è il kiloton (kt), pari all’energia liberata nell’esplosione di 1000 tonnellate di TNT. Vale l’equivalenza 1 kt = 4185 miliardi di Joule. Tanto per fissare le idee, la bomba atomica sganciata su Hiroscima nel 1945 liberò un’energia di circa 16 kt.

cneos_fireballs_plot
Figura 1 – Una mappa che mostra tutte le esplosioni di bolidi in atmosfera osservate dai satelliti artificiali militari degli Stati Uniti. Il colore è proporzionale alla energia sviluppata, secondo la scala riportata sulla destra. In questa scala la bomba atomica di Hiroscima si collocherebbe in corrispondenza del valore +1,2, ossia sul colore arancione.

Dal database risulta che dal 15 aprile 1988 al 2 febbraio 2018 sono state osservate 734 esplosioni di bolidi in atmosfera, con energie rilasciate che vanno dagli 0,1 kt in su. Ad ora l’evento maggiore è quello accaduto a Čeljabinsk in Russia il 15 febbraio 2013, con il rilascio di un’energia pari a circa 500 kt. In media si ha un evento ogni 2 settimane. Anche i fenomeni meno energetici di questo catalogo sono bolidi in grado di illuminare a giorno il paesaggio notturno. Dal punto di vista statistico l’Italia ha una superficie pari allo 0,06% di quella mondiale e quindi ha una probabilità dello 0,06% di assistere ad un evento energetico come quelli riportati nella Fig.1. Per il nostro paese ci si può aspettare, in media, un evento energetico nel range 0,1 – 500 kt ogni circa  60 anni.

Come si vede dalla Figura 1 le esplosioni dei bolidi in atmosfera si distribuiscono in modo abbastanza uniforme su tutto il pianeta, non ci sono zone privilegiate. Naturalmente il 70% delle esplosioni avviene al di sopra degli oceani, quindi eventuali meteoriti sono perse per sempre perché finiscono in acqua e si depositano sul fondo. Per nostra fortuna abbiamo l’atmosfera che ci fa da vero e proprio “scudo”, altrimenti accadrebbe come sulla Luna: i meteoroidi colpirebbero direttamente il suolo scavando crateri da impatto di tutte le dimensioni, da pochi metri fino ad alcune centinaia di metri di diametro. Anche se la superficie terrestre è salva il nostro pianeta è comunque costantemente “sotto tiro”. Purtroppo lo “scudo atmosferico” ha dei limiti e non riesce a fermare in modo efficace corpi con diametri pari o superiori a 50 metri, ossia i piccoli asteroidi near-Earth che spesso compiono passaggi ravvicinati (flyby) con la Terra. Ad esempio è stato proprio un piccolo asteroide di questo diametro a provocare la famosa catastrofe di Tunguska, il 30 giugno 1908.

Statistiche sui bolidi

Oltre alla distribuzione geografica delle esplosioni dei bolidi in atmosfera, è interessante dare un’occhiata ai principali parametri misurati dai satelliti. La prima domanda che sorge spontanea è: a che altezza dal suolo si verificano le esplosioni in atmosfera? C’è pericolo per il trasporto aereo civile? La risposta è nella Figura 2. Come si vede il maggior numero di esplosioni si verifica fra i 30 e i 40 km di quota, quindi nella stratosfera. Gli aerei di linea hanno quote di crociera al massimo di 10 km e non corrono il rischio di essere abbattuti dall’esplosione di un bolide. Eventualmente, la troposfera sarà poi interessata dalla caduta in volo libero dei frammenti del meteoroide originario.

Distribuzione_quote
Figura 2 – La distribuzione delle quote dei bolidi che esplodono nell’atmosfera terrestre. Il picco cade attorno ai 40 km.

Le velocità dei meteoroidi nel momento del picco di luminosità (quindi in piena fase esplosiva), si concentra per lo più fra i 15 e i 30 km/s, con un picco attorno a 20 km/s, che possiamo considerare la velocità tipica di un meteoroide. Pochissimi sono gli eventi con velocità al di sotto dei 15 km/s, comprensibile visto che la velocità di fuga dalla Terra è di circa 11,2 km/s. Al limite, un meteoroide che abbia velocità nulla rispetto alla Terra all’infinito, deve comunque cadere con questo valore minimo della velocità.

Distribuzione_velocità_impatto
Figura 3 – La distribuzione delle velocità dei meteoroidi prima dell’impatto con l’atmosfera.

L’energia totale rilasciata in atmosfera vede un picco verso gli eventi meno energetici, come è logico aspettarsi considerato che i piccoli meteoroidi sono molto più numerosi di quelli grandi. Gli eventi più energetici tendono a svilupparsi verso quote più basse, mentre gli eventi a bassa energia possono trovarsi a qualsiasi quota fra 20 e 70 km (vedi Figura 5).

Distribuzione_energia
Figura 4 – Distribuzione dell’energia sviluppata nell’esplosione in atmosfera dei bolidi. In questo istogramma la bomba atomica di Hiroscima si collocherebbe nella barra con 14.
Energia_vs_quota
Figura 5 – Energia sviluppata nell’esplosione in funzione della quota dell’esplosione. Si nota che gli eventi più energetici tendono a raggiungere quote minori.

Conclusioni

La Terra è costantemente bombardata dai meteoroidi. In base ai dati sulle esplosioni in atmosfera raccolti dai satelliti militari USA, in media ogni 14 giorni si verifica la caduta di un corpo in grado di produrre un bolide con una luminosità apparente superiore a quella della Luna piena. La tipica velocità di un bolide luminoso in atmosfera è dell’ordine di 20 km/s, mentre la quota dove si verifica più frequentemente l’esplosione cade attorno ai 40 km d’altezza. Infine, l’energia tipica rilasciata è dell’ordine di circa 1/100 kt. Purtroppo, il 70% delle eventuali meteoriti che si producono in eventi di questo tipo viene perduta in mare.

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