Análisis espectroscópico de fragmentos cometarios y asteroidales a su entrada en la atmósfera terrestre.

Abstract

En la presente tesis se analiza el origen y composición de la materia interplanetaria a partir de una perspectiva nueva basada en el estudio de los fenómenos luminosos que producen estas partículas a su entrada a la atmósfera terrestre, llamados meteoros. Estas partículas, procedentes mayoritariamente de la degradación de las superficies de cometas y asteroides, cuando se hayan en órbita solar se denominan genéricamente meteoroides. Dependiendo de la geometría del encuentro con la Tierra los meteoroides alcanzan la atmósfera a velocidades comprendidas en el rango de 11 a 73 km/s. A estas velocidades a alturas de entre 120 y 70 km. la densidad atmosférica es suficiente para que las colisiones atómicas sean frecuentes sobre el meteoroide, calentándolo por encima de 1.500 K en un proceso conocido como ablación. Como consecuencia de ese proceso se produce la fase luminosa denominada meteoro que, siendo perfectamente visible a grandes distancias, puede ser estudiada con técnicas fotográficas o vídeo desde la superficie terrestre.<br/><br/> En la primera parte de la tesis se analizan las imágenes en doble estación de 24 meteoros, la mayoría obtenidos durante la tormenta de Leonidas acaecida en 1999. De las imágenes estereoscópicas desde varias estaciones fotográficas ubicadas en la superficie terrestre se realiza la reconstrucción de las trayectorias reales en la atmósfera y la órbita heliocéntrica, calculada la velocidad geocéntrica de los meteoroides. Las órbitas calculadas permiten asociar los meteoros fotografiados a fragmentos procedentes de los cometas 55P/Tempel-Tuttle, 109P/Swift-Tuttle y 3P/Encke, así como también uno de ellos procedente del asteroide Faetón.<br/><br/>En la segunda parte de la tesis se estudia el campo de la espectroscopia de meteoros. En la tesis se analizan quince espectros pertenecientes a trece brillantes meteoros (bólidos) registrados desde el Observatorio de Ondrejov (República Checa). Primero se determina la sensitividad del espectrógrafo a partir de la cual se calibra la intensidad de las diversas líneas espectrales. Una vez calibrada se ajustan los espectros observados a un espectro sintético construido a partir de fijar unos valores típicos de la densidad de átomos en la columna meteórica, la temperatura y el área radiante. Cambiando esos parámetros ligeramente por el método de los mínimos cuadrados el espectro sintético alcanza valores de intensidad similares al registrado. En ese momento se varían a su vez las abundancias relativas de los diferentes elementos químicos para mejorar la calidad del ajuste de la intensidad de las líneas. De esa manera se obtuvo a lo largo de la trayectoria de cada bólido un espectro sintético en el intervalo comprendido entre 3.800 y 6.500 Å, de donde se dedujeron finalmente las abundancias químicas relativas al Si de diferentes elementos químicos: Na, Mg, Ca, Ti, Cr, Mn, Fe, Co y Ni. El rango de masa de los meteoroides progenitores de los espectros analizados se encuentra a medio camino entre las partículas de polvo interplanetario (IDPs) y los meteoritos condríticos más pequeños. Comparando las abundancias químicas con las características de IDPs, del polvo del cometa 1P/Halley y de meteoritos condríticos se llega a interesantes conclusiones. La presencia de una mayor abundancia en Na puede estar relacionada con la evaporación de este elemento en el medio interplanetario y probablemente también en la atmósfera. Asimismo se ha confirmado el efecto de evaporación incompleta del calcio que abandona el meteoroide sin fundirse, probablemente en forma de polvo refractario. Los resultados sugieren también que las medidas realizadas por la sonda Giotto del polvo del cometa 1P/Halley no pueden considerarse representativas del polvo cometario dado que varias abundancias químicas son diferentes en meteoroides de otros cometas. Probablemente tales diferencias sean debidas a que los espectrómetros de masas detectasen solo partículas pequeñas de masa equivalente a la de los componentes principales de la matriz de las IDPs. Estos componentes principales que suelen ser granos minerales no suelen tener composición condrítica pese a que el conjunto del IDP si puede poseerla.<br/><br/>La espectroscopia de meteoros constituye pues un campo innovador que permite profundizar en esos procesos y determinar las abundancias y anomalías químicas de estos objetos si bien con una precisión mucho menor que la obtenida del análisis in situ en laboratorio. A pesar de ello posee la ventaja de permitir determinar las abundancias químicas dentro de un rango de error aceptable aun cuando las partículas se desintegren por completo en la atmósfera y no puedan ser por tanto recuperadas para su posterior análisis. Resulta importante destacar que un estudio conjunto de espectros de bólidos por esta técnica y de las partículas de polvo interplanetario (IDPs) en el laboratorio puede ser complementaria y aportar valiosa información sobre los procesos degradativos sufridos por la materia interplanetaria. En especial resulta de interés corroborar la íntima relación entre las IDPs y los meteoroides que se desprende de este trabajo. En definitiva, el análisis de espectros meteóricos puede convertirse en una herramienta de gran valor en el estudio de la composición química de la materia interplanetaria que alcanza la Tierra. Este tipo de estudios puede complementar muy bien misiones mucho más costosas de recogida de materia cometaria in situ, como las misiones Stardust o Rosetta de la NASA y la ESA. <br/><br/>Finalmente cabe mencionar que el interés de estos estudios en astrobiología es obvio. La acreción de materia extraterrestre es un campo fundamental para llegar a comprender el origen del carbono prebiótico y otros compuestos volátiles que fueron presumiblemente claves en el origen de la vida en la Tierra. Probablemente no toda la materia orgánica llegase a través de impactos con cometas y primitivos asteroides sino que también la acreción de meteoroides en la atmósfera terrestre haya sido un mecanismo más continuo y benévolo para depositar especies orgánicas y especies volátiles como el agua sobre nuestro planeta. En este contexto la espectroscopia de meteoros es una manera de profundizar en los mecanismos que regulan la entrada de la materia interplanetaria a la Tierra.

In this thesis is analysed the origin and composition of the interplanetary matter through the study of meteors, the luminous phase produced by these particles during their atmospheric entry. Meteors are perfectly visible to long distances and it can be analysed using photographic techniques from the Earth's surface. <br/><br/> In the first part are analysed multiple station images of 24 meteors, the more important part of them obtained during the 1999 Leonid storm. From stereoscopic images taken from several stations we derived the real trajectories of these meteors in the atmosphere and, one time are calculated their velocities, the respective heliocentric orbits. The derived orbits allow to associate the meteoroids to several streams associated to comets 55P/Tempel-Tuttle, 109P/Swift-Tuttle, 3P/Encke and also one from the asteroid Phaeton. <br/><br/>The second part is dedicated to meteor spectroscopy. Fifteen spectra obtained from the Ondrejov Observatory (Czech Republic) have been analysed. Using meteor spectroscopy we obtain information about the meteoroid chemical composition. A simple model was used to determine the physical parameters and chemical abundances in these meteors. This model assumes thermal equilibrium in the meteor head. It is capable to reproduce the main characteristics of all meteor spectra, including the existence of two different components: the main spectrum characterised by a temperature of about 4,500 K and a second spectrum at approximately 10,000 K. Probably the high temperature component is associated to the front wave of the meteoroid whiles the low temperature comes from the meteoroid surroundings. The model was applied to deduce the chemical abundances relative to silicon in thirteen fireballs. The major part of them were produced by cometary fragments as was deduced from the computed heliocentric orbits. We have obtained for these fireballs the abundances of Na, Mg, Ca, Ti, Cr, Mn, Fe, Co and Ni. Comparing these chemical abundances to the characteristics of IDPs, 1P/Halley dust and chondrites we have obtained interesting differences related with meteoroid evolution and heterogeneity.