Impact hazard associated with large meteoroids from disrupted asteroids and comets

Abstract

El impacto de grandes fragmentos desprendidos de cometas y asteroides contra la Tierra puede llegar a ser muy peligroso. Recientemente, sucesos como Chelyabinsk (2013), Carancas (2007) o Tunguska (1908) han demostrado la capacidad que tienen los meteoroides con diámetros entre 1 y 100 m para devastar grandes extensiones y amenazar a la población local, ya sea mediante la liberación de energía en la atmósfera o el impacto en la superficie. A pesar de la baja frecuencia de este tipo de sucesos, la preocupación entre agencias espaciales y otras iniciativas de defensa planetaria es creciente, y ya están elaborando tácticas de mitigación ante posibles impactos. Este interés se extiende también en la comunidad científica. Además, el estudio de los meteoroides que impactan la atmósfera terrestre revela valiosa información sobre sus progenitores, los mecanismos que siguen para llegar a la Tierra, y su habilidad para amenazar nuestro planeta. Así, esta tesis tiene por objeto dar respuesta a una serie de interrogantes sobre la física asociada al impacto y a las condiciones pre-impacto. Este trabajo comienza explorando aspectos complejos de la dinámica orbital de meteoroides a través de dos fenómenos excepcionales. Por un lado, la actividad anual de las Úrsidas aumenta cuando ciertos enjambres de meteoroides desprendidos del cometa 8P/Tuttle hace 620 años impactan la Tierra encontrándose el cometa en su afelio orbital. Los incrementos de actividad cuando el cometa está en su afelio no son comunes y por tanto las Úrsidas ofrecen nuevas claves sobre la mecánica orbital. Por otro lado, si la trayectoria atmosférica de un meteorito, como es Annama, se obtiene de manera precisa, éste se puede vincular orbitalmente con un cuerpo celeste. Dada la rápida evolución orbital de los NEA (considerados posibles progenitores) este estudio nos permite acotar mejor sus órbitas y predecir futuros impactos. La segunda parte de la tesis versa sobre la caracterización del vuelo atmosférico de un meteoroide. Los modelos actuales son capaces de considerar la ablación y fragmentación de un meteoroide en la atmósfera, pero aún no es posible comprender completamente, ni de manera observacional ni numérica, el vuelo hipersónico de un meteoroide en la región definida por la mesosfera y baja termosfera donde el gas se considera rarificado. Esta tesis presenta la primera comprobación observacional de los regímenes de vuelo para meteoroides centimétricos a estas alturas, y discute las consecuencias que origina la formación de una onda de choque en la física del vuelo del meteoroide. Además, las ondas de choque están íntimamente relacionadas con la energía depositada por el meteoroide a distintas alturas; magnitud que también se puede acotar conociendo su altura terminal. Así, esta tesis se ofrece también una nueva metodología para calcular estas alturas. Los resultados obtenidos son muy precisos y muestran que el cálculo de las alturas terminales es muy útil para derivar otros parámetros del vuelo del meteoroide. Es más, el planteamiento usado ofrece una nueva manera de clasificar los impactos de meteoroides y mejorar escalas anteriores. Por último, se discute la extrapolación de los estudios anteriores a cuerpos de diferentes tamaños. Aunque menos peligrosos, los impactos de cuerpos inferiores a 1 metro son los mas frecuentes y, en consecuencia, nutren las bases de datos y resultan fundamentales para abordar el estudio de meteoroides. La extrapolación de las conclusiones obtenidas previamente a objetos mas grandes puede revelar claves sobre la física subyacente y aportar nuevas predicciones sobre el riesgo asociado a impactos energéticos. Los resultados de esta investigación proveen también un enfoque alternativo al desarrollo de modelos numéricos, tanto actuales como futuros, que hasta hoy han sido fundamentales para afrontar el estudio de meteoroides.

Large meteoroid fragments disrupted from asteroids and comets may encounter the Earth along their orbits, posing extremely hazardous scenarios. Contemporary events like Chelyabinsk (2013), Carancas (2007) or Tunguska (1908) demonstrated that meteoroids in the diameter range of 1 to 100 m can devastate large areas and injure local population through the associated energetic blast, or even produce casualties due to localized crater excavation. Despite the relatively low frequency of these events, they have become a major concern within space agencies and other planetary defense initiatives which are currently developing impact mitigation tactics. This is in line with the growing popularity of this subject in the scientific community. The number of yet unresolved questions underlying the pre- and impact physics motivates the work carried out in this thesis. The study of meteoroids that encounter the terrestrial atmosphere provides valuable clues about their progenitors, their delivery mechanisms to Earth, and their ability to threaten our planet. This thesis starts by exploring the complexity of meteoroid dynamics through two exceptional phenomena. On the one hand, a limited number of meteoroid dust trails detached from the comet 8P/Tuttle 620 years ago impact the Earth when the parent comet is in its aphelion, thus increasing the activity of the annual Ursid meteor shower. Aphelion-related increases in a meteor shower activity are uncommon and hence the Ursids offer a new perspective of orbital mechanics. On the other hand, meteorite falls, like Annama, can be orbitally linked to celestial bodies if their atmospheric trajectories are accurately recorded. Exploring these parental relationships offer the opportunity to overcome the uncertainties emerged from the short-term orbital evolution of near-Earth objects and ultimately predict future impacts. The second part of this thesis focuses on the characterization of the atmospheric flight of a meteoroid. While up to-date re-entry models that account for the meteoroid ablation and fragmentation are common, no observational or modelling studies have resolved the intricacies associated with the mesosphere and lower thermosphere region for meteoroids travelling at hypersonic velocities and in rarefied gas flow conditions. This thesis presents the first observational validation of the flight flow regimes of centimeter-sized meteoroids and provides a new insight into the consequences for the meteoroid flight physics due to the generation of a shock wave. Meteoroid shock waves are also intimately related to the meteoroid energy deposition at different heights, which can alternatively be stated from the analysis of the terminal height of the meteoroid’s trajectory. A new approach capable to precict the terminal heights is outlined in this thesis. The results show that, besides the great accuracy achieved, the calculated terminal heights are a valuable input to the derivation of atmospheric flight parameters. Furthermore, the approach taken provides a new way of classifying impacting meteoroids that improve previous classification scales. Finally, a discussion of the implications of the previous analysis to impacting bodies of different sizes is carried out. Since Earth impacts by meter-sized or smaller bodies are more frequent, the study of sub-metric meteoroids provides a wide catalogue of events that can be crucial to understand the meteor physics. Being able to extrapolate the behaviour of these bodies to asteroid sizes can provide new clues on the underlying physics and make predictions concerning the degree of hazard associated with energetic events. The results of this work also provide feedback and an alternative approach to current and foreseen numerical simulations that were seen in the past as the only way to deal with these challenging encounters.