De météore à météorite

Définitions (I)

L'Union Astronomique Internationale définit un "météoroïde" comme un objet interplanétaire dérivant des astéroïdes ou des comètes dont la masse se situe entre 10^-9 et 10⁸ kg, soit plus grand qu'une molécule et plus petit qu'un astéroïde. Pas mal d'objets peuvent donc correspondre à cette définition.

Etant donné que le libre parcours moyen d'une molécule d'air oscille entre 0.1 et 1 m, on peut considérer que la dimension moyenne des météoroïdes oscille entre 0.1 et 1 m. Les plus petites particules ne produisent pas de friction hydrodynamique et ne génèrent donc pas de chaleur.

A l'inverse, un météoroïde suivant une orbite géocentrique et entrant dans l'atmosphère à 40 km/s affecte les molécules de l'air avec la même vitesse. Sachant que l'énergie cinétique est de l'ordre de 8 eV par nucléon, une molécule d'azote capturée par ce flux dispose d'une énergie d'environ 230 eV. L'énergie de l'impact atmosphérique se transforme aussitôt en chaleur, libérant les atomes du météoroïde sous forme gazeuse.

La collision entre les atomes libres du météore et les molécules d'air produit de la chaleur, excite la matière qui émet de la lumière et trace une traînée d'ionisation, il devient un météore.

Toutes les nuits et partout sur Terre des météores ou étoiles filantes peuvent apparaître si vous observez le ciel durant au moins une demi-heure. Il s'agit de météores sporadiques qui traversent isolément notre atmosphère. Durant certaines périodes de l'année un grand nombre de météores peuvent apparaître en fin de nuit, allant de quelques dizaines à plusieurs milliers de météores. Ce sont des "pluies d'étoiles filantes" appartenant à des essaims dont le plus connu est celui des Perséides qui se manifeste aux alentours du 11 août.

Selon la dimension, la densité et la trajectoire du météoroïde, bref en fonction des effets aérodynamiques, celui-ci pénétrera plus ou moins profondément dans l'atmosphère. La plupart des étoiles filantes que nous observons ne font qu'une fraction de millimètre et s'évaporent dans les couches denses de la stratosphère. Dès que la magnitude visuelle atteint -4 (aussi brillant que Vénus) on parle de bolide.

La couleur rouge, jaune, verte ou bleue que l'on observe parfois dans un météore est émise non pas par le météore mais par les atomes ionisés de l'air (cf. l'étude des météores).

Selon la NASA, 33 tonnes de météoroïdes frappent chaque jour la haute atmosphère de la Terre. Plus précisément, la quantité de météoroïdes varie entre 0.4 et 110 tonnes par jour avec un maximum estimé à 300 tonnes par jour (cf. C.S. Gradner et al., 2014). Selon la base de données de la Meteoritical Society, on observa 779 chutes de météoroïdes entre 1900 et 2018 soit une moyenne de 6.6 chutes par an.

Lorsque le météoroïde est de grande taille, à la limite de celle des astéroïdes (< 1 m), il peut atteindre la troposphère, c'est-à-dire la zone où se forment les nuages. En général, le bolide explose dans l'atmosphère. Les Anglo-saxons qualifient ce phénomène de "Airburst".  En 1994, le Département de la Défense américain estimait qu'au moins 100 bolides explosent chaque année dans l'atmosphère libérant une énergie supérieure à 1 kilotonne de TNT, soit plus de 10¹¹ Joules.

Si le météoroïde survit à l'interaction avec les molécules d'air et touche le sol, il devient une météorite. Selon le physicien Dave Ansel de l'Université de Cambridge (cf. Sciansell), la Terre accumule chaque année 40000 tonnes de météorites et de poussière cosmique. Cela comprend les micrométéorites dont la masse globale n'est pas négligeable. Dans le cadre d'un programme international qui dura près de 20 ans, des chercheurs ont calculé que chaque année environ 5200 tonnes de micrométéorites d'une taille comprise entre 30 et 200 microns tombent au sol dont beaucoup sont récupérés dans la glace en Antarctique où ils se distinguent le plus facilement (cf. J.Rojas et al., 2021). Selon la base de données de la Meteoritical Society, à ce jour plus de 65500 météorites ont été classifiés.

A voir sur le blog : Chute de débris au-dessus du Texas (2009)

Passage d'un bolide au dessus du Canada (2008)

Traces de météores dans l'atmosphère A gauche, un bolide de magnitude -8 photographié durant la nuit des Léonides le 18 novembre 1999. Cet essaim est associé à la comète Tempel-Tuttle dont ce bolide ne constitue qu'une infime poussière. Document Arne Danielsen. A droite, passage d'un bolide de 1000 tonnes et d'une quinzaine de mètres au-dessus de Teton en Alberta (Can.) le 10 août 1972. Il survola le Wyoming et le Montana à 58 km d'altitude avant de repartir dans l'espace. Ouf ! Consultez également la vidéo sur YouTube.

Dynamique du phénomène

Rappelons que dans un calcul de risque d'impact météoritique, les "sections de capture" d'une planète varient en fonction de sa masse, alors qu'à densité égale la surface de capture est plus faible et varie comme la masse^2/3. La fréquence des chutes par unité de surface varie donc comme la racine cubique de la masse, alors que la densité de l'atmosphère varie de façon plus importante.

En clair, cela signifie que sur une planète massive à l'atmosphère épaisse, beaucoup de météores brûleront dans les couches denses de l'atmosphère avant d'atteindre le sol. Sur Terre à l'inverse, l'atmosphère étant relativement peu épaisse, si la majorité des météores se consument au-delà de 50 km d'altitude, tous les météorites potentiels ne se consument pas et les plus massifs percutent le sol à une vitesse de l'ordre de 100 à 200 m/s.

Un météoroïde pénètre dans l'atmosphère terrestre à une vitesse qui oscille entre 12 et 72 km/s. C'est sa vitesse propre sur son orbite. Il s'agit d'une vitesse hypersonique (supérieure à Mach 5) capable de conduire l'objet jusqu'aux couches les plus basses de l'atmosphère.

Comme tout objet se déplaçant à une vitesse hypersonique, on peut considérer la trajectoire du météoroïde comme un long cylindre générant des ondes de pressions détectables au moyen de barographes ou de sismographes. Le corps lui-même du météoroïde est entouré à l'avant d'un arc de haute pression (arc de choc), d'une couche limite à hauteur du corps et d'une onde choc qui s'étire en oblique derrière le corps en mouvement. Comme la pression est plus élevée à l'avant du météoroïde on peut assumer qu'il existe un espace vide derrière le météoroïde juste devant les ondes de turbulences. Tous ces mécanismes s'expliquent par le modèle d'expansion de Prandtl-Meyer.

Dynamique d'un météoroïde Si le météoroïde ne parvient pas à se mettre en équilibre thermique suite à la chaleur dégagée par son déplacement hypersonique et s'il ne peut équilibrer les contraintes mécaniques qu'il subit à mesure qu'il pénètre dans les couches denses de l'atmosphère, l'objet finit par se fragmenter plus ou moins violemment. Généralement s'il n'est pas assez massif pour atteindre le sol, il explose à quelques kilomètres d'altitude, engendrant des ondes de pressions détectables à des milliers de kilomètres de distance accompagnées d'un nuage de débris. Consultez le texte pour les détails.

Sur la surface frontale du météoroïde il existe un point de stagnation où la vitesse est nulle et la température du fluide la plus élevée. Par un effet de dissipation, la chaleur qui se développe à cet endroit est amplifiée par la présence de régions vides ou quasi vides qui réduisent le transfert de chaleur et contribuent à augmenter la température interne du météoroïde.

Si la chaleur générée augmente plus rapidement que le temps qu'il faut à l'objet pour s'équilibrer, les contraintes mécaniques sont telles que l'objet se fragmente, ces fragments subissant le même régime. Si l'objet est très fragile, une fraction de seconde plus tard il se produit une explosion thermique suivie d'ondes de pressions très puissantes capables de créer des fractures dans le sol à l'image des séismes. C'est ainsi qu'en 1908 des sismographes et des barographes installés à plusieurs milliers de kilomètres du site de la Tunguska en Sibérie ont parfaitement enregistré l'explosion d'un météoroïde. Cette réaction est similaire à un dynamitage en pleine atmosphère et provoque un nuage de débris constitués de plasma, de roches et de poussière à l'état solide ou en fusion.

Prochain chapitre

Les effets magnétiques