Метод ученых МГУ поможет определить причины разрушения метеоров в атмосфере

Воздействие плазмы (заряженного газа) на атомы кальция и железа и их оксиды, образующиеся при разрушении соединений, входящих как в состав метеоров, так и в защитную обшивку космических аппаратов, изучили сотрудники кафедры лазерной химии химфака МГУ, 27 августа сообщает пресс-служба университета.

Ученые установили, что испаренное вещество уносится за пределы плазмы ударной волной, а оксиды образуются как в центре плазменного облака, так и на периферии плазмы в результате взаимодействия атомов железа и кальция с кислородом воздуха.

Аналогичные процессы происходят, когда метеоры или другие космические тела входят в атмосферу Земли. Поэтому результаты проведенного исследования помогут более точно описывать разрушение космических тел и искусственных объектов при их вхождении в атмосферу, в том числе определять, какие воздействия испытывает при этом обшивка космических аппаратов и как меняются ее свойства от таких воздействий.

Результаты исследования были представлены в статье «Изучение распределения частиц в лазерно-индуцированной плазме с помощью молекулярной и атомной флуоресценции», опубликованной в журнале Plasma Sources Science and Technology.

При вхождении космического тела, метеора или космического корабля, в атмосферу Земли вокруг него формируется область заряженного газа — плазменное облако, в котором метеор может частично или полностью разрушиться, а обшивка корабля повредиться.

Для точных расчетов необходимой стойкости обшивки космического корабля или степени разрушения метеора в атмосфере нужно разобраться в процессах, происходящих с ними в этом плазменном облаке — испаряется ли их материал с поверхности, или его частицы выбиваются с поверхности ударной волной и потом догорают в плазме.

Для этих целей ученые химфака МГУ разработали метод, позволяющий экспериментально выяснить, что происходит в плазме с соединениями кальция и железа — веществ, входящих в состав материалов для обшивки спутников и ракет, а также присутствующих в астероидах.

Исследователи поместили в вакуумную камеру мишень из спрессованного в таблетку порошка карбоната кальция и оксида железа, после чего на мишень направили луч мощного лазера, под излучением которого образовалась плазма. Фотографирование плазменного облака для определения его границ проводилось с помощью чувствительной скоростной камеры, сконструированной и собранной одним из участников эксперимента.

Другим, титан-сапфировым, лазером облучали частицы мишени в плазме, чтобы понять, как они себя там ведут. Синий луч лазера выборочно возбуждал атомы и оксиды, образовавшиеся из испаренного материала мишени, а в ответ они испускали специфическое для них свечение (флуоресценцию), которое исследователи регистрировали спектрометром.

Такой прибор позволил ученым одновременно регистрировать сигналы частиц как оксида кальция, так и железа, чего ранее по флуоресценции им не удавалось сделать. Так как интенсивность свечения зависит от концентрации частиц, то исследователи смогли буквально «поточечно» определить относительное содержание кальция, железа и их оксидов и их распределение внутри плазменного облака.

Ученые выяснили при этом, что доля оксида кальция на границах разлетающегося облака частиц примерно в пять раз больше, чем в центре. Такое возможно лишь в том случае, если на границах плазменного облака эти оксиды являются не частицами материала разрушающейся мишени, а вновь образовавшимися молекулами.

Их образование происходит при взаимодействии с содержащимся в атмосфере кислородом тех атомов кальция, до которых в плазме мгновенно разлагается материал мишени. Зная интенсивность флуоресценции оксидов, можно вычислить давление, при котором это взаимодействие становится значимым, и определить границы прохождения ударной волны, образующейся при испарении вещества.

Аспирант кафедры лазерной химии химфака МГУ Александр Закускин пояснил: «В дальнейшем мы планируем расширить наши возможности по наблюдению за изменением вещества в плазме, добавив к рассмотрению флуоресценцию титана и алюминия, так как эти элементы составляют основу многих конструкционных материалов».

Разработанная исследователями методика изучения процессов, происходящих в плазме в условиях, близких к верхним слоям атмосферы, может быть применена при тестировании новых защитных материалов спутников и ракет. Кроме того, она будет полезна при моделировании процессов, происходящих при вхождении метеоров в атмосферу планет.

«Если говорить в целом о развитии метода лазерной-индуцированной флуоресценции, то она может быть использована для бесконтактного контроля за различными опасными веществами, например при определении изотопов урана, что важно для ядерной энергетики», — отметил доцент кафедры лазерной химии химфака МГУ Тимур Лабутин.