Cientistas simulam entrada de Meteoritos usando fusão a plasma

Simulação do experimento de meteoros em estado de Fusão (Plasma)

Já imaginaram do que se trata este experimento? Por dias este pedaço de rocha foi condicionado em um túnel de plasma. Nesta foto, um pedaço de Argilito terrestre foi exposto nas condições do estado do plasma; por uma equipe de cientistas lideradas por Stefan Loehle (Stuttgart University); simulando o que acontece com um meteoroide e como o processo de entrada na Atmosfera Terrestre acontece.  Com estes experimentos, os cientistas esperam o melhor entendimento do fenômeno da Ablação- Processo no qual cada meteoroide se aquece, funde e vaporiza quando atravessam a Atmosfera. Logo; poderemos entender com maior precisão a partir de fragmentos de meteoritos quando atingem o solo nestas condições. No experimento dos cientistas, as amostras de rochas foram expostas a feixes de plasmas até desintegrarem simultaneamente acompanhada via fotografia, vídeo, Imagens em alta velocidade, termografia e por um espectrômetro atômico do tipo Echelle.

Para saber mais sobre os experimentos, veja o artigo original traduzido para português abaixo.

Simulações Laboratoriais da Ablação de Meteoritos na Atmosfera via Feixes de Plasma.

Resumo

Três diferentes tipos de rochas foram analisadas em um feixe de plasma de alta entalpia. Duas rochas terrestres, Basalto e Argilito e um Condrito comum; em formato cilíndrico de 10 mm. Foram analisadas nas respectivas ordens; a fim de observar a Decomposição, Ponto de Ruptura e suas Faixas Espectrais. O objetivo foi simular a ablação de meteoroides em comparação com dados obtidos no experimento laboratorial. O teste feito in Loccu com uma massa-específica em entalpia absoluta de 70MJ Kg­ -¹, resultou em um aquecimento superficial do meteorito em torno de 16MW m-². Feito em pressão estável de 24 hPa, o que corresponde as mesmas condições, comparadas à um objeto cerca de 80 Km dentro da Atmosfera pressupondo uma velocidade de entrada de 10Kms -¹. Cinco tipos de métodos de análises diferentes foram aplicados simultaneamente, para as características da fragmentação dos meteoritos e a completa destruição nos testes laboratoriais: Uma curta exposição fotográfica, imagens em vídeo normais e em alta velocidade com taxas de frame me 10kHz; junto com termografia e o espectrômetro Atômico de Emissão Echelle. Esta foi a primeira vez que um teste sucinto, foi conduzido com vários tipos de fragmentos de meteoritos nas mesmas condições extremas de forma controladas. De fato, os dados apontam para um comportamento típico de uma ablação natural. Os fragmentos estruturados cilindricamente fundiram, e vaporizaram em cerca de 4 Segundos. Os dados permitiram análises espectrais de grande importância, principalmente para análises espectroscópicas futuras de meteoros.  Para a amostra do condrito comum submetido ao teste, em comparação com meteoros já observados, apontam um parecer favorável em acordo comum na sociedade científica.  Os dados apresentados nestes experimentos, mostram que a metodologia adotada reproduz, com efeito, o fenômeno da ablação de meteoritos em correspondência aos espectros assinalados já existentes.

  1. Introdução

Meteoritos são pedaços recuperados de meteoroides quando entram na atmosfera Terrestre (JennisKens 2008). Somente um único relato na história; foi catalogado a partir de fragmentos de um meteorito no solo, diretamente ao seu corpo parental; na entrada de um meteoroide que teve a identificação precisa. Isto ocorreu em 2008; quando o meteoroide 2008TC3 foi descoberto no espaço e observado até entrar na atmosfera Terrestre nas cercanias do deserto da Núbia (2009 JennisKens e outros). JennisKens e outros, encontraram fragmentos de meteoritos no solo, durante sistemáticas expedições de pesquisas. Os meteoritos foram nomeados pela região onde foram encontrados: Almahata Sitta.  Esta foi a única ocasião em que as observações espaciais foram diretamente conectadas com o material encontrado no solo. Apenas alguns fragmentos foram analisados em renomadas instituições no mundo inteiro. No instituto de Sistemas espaciais; um fragmento do Almahata Sitta foi usado para mensurar sua emissão superficial em função de sua temperatura de fragmentação (Loehle, e outros. 2016c). A grande parte deste meteorito foi da classe dos condritos comuns, porém, fragmentos de Ureilito foram encontrados.

As questões principais de interesse são elas (1) quais são os parâmetros da dinâmica da ablação durante o rasante na entrada (2) como podemos distinguir diferentes tipos de meteoritos? Além disto, não é claro o quanto estas diferenças podem ser perceptíveis se observadas do solo; como exemplo, se as análises espectrais sanam os métodos de observância.  Existem também, a suposição de que estes corpos trouxeram, em sua composição, a origem da vida (Park e Brown 2012). Neste caso particular, os meteoritos em entrada, teriam dado a energia necessária para sustentar os aminoácidos. Nestas condições, um entendimento detalhado da entrada dos meteoritos, não somente seria de suma importância em prever os riscos de novas quedas, mas também traria informações sobre as origens da vida no planeta Terra.

Existe um acentuado interesse em análises de asteroides com riscos em potencial e, suas respectivas entradas nestas circunstâncias, lideradas pelos engenheiros da aerotermodinâmica, a fim de investigarem entradas de meteoros para aplicar em ferramentas desenvolvidas para entrada e reentrada de cápsulas artificiais (Prabhu, e outros 2015). A mais recente reentrada vinda de voos interplanetários: Stardust e Hayabusa, exigiu o desenvolvimento de ferramentas nas quais permitem a previsão de entrada e aquecimentos de capsulas de compartimento, voando em velocidades rápidas como as de 12Km s-¹. A camada de proteção térmica destas capsulas, foram testas em instalações de ondas de choque e tubo de feixe plasmáticos (Liu, e outros. 2010; Trumble e outros. 2010; Suzuki, e outros. 2014).

Os primeiros estudos experimentais em instalações Terrestres sobre entrada de meteoroides foram conduzidos por Shepard e outros; em 1967. Rochas foram expostas em um sistema de alta entalpia de feixes de plasma, nas instalações do Ames arc-jet; NASA. Foram descobertos que, a partir de alguns materiais como grabo ou Basalto, resultaram em uma radiação similar em comportamentos iguais a outros testes com corte de jato de plasma feitos em fragmentos de meteoritos. O foco nestes estudos anteriores, foram o de investigar a luminosidade aparente, na qual foram percebidas relações estritamente ligadas ao mecanismo de fragmentação.

Fundindo estas amostras em testes de jato de corte, foi muito usado para ferramentas de análises para prever entradas de meteoros (Allen e Baldwin 1967). Comparados com estas investigações pioneiras; testes recentes em solo feitos por Park e outros, em 2012; no departamento de balística no centro de pesquisas Ames da NASA; mostram que dependendo da porosidade do meteoro, os comportamentos de fragmentação são bem diferentes (Park e Brown 2012).

Em 2015, um estudo da radiação do laser foi publicado por Stern e outros;2015). Park e outros, onde numericamente analisando o quanto radioativo é o fluxo de aquecimento da superfície do meteoroide, devida a extrema e potente onda de impacto quando em queda, juntamente com os experimentos de aquecimento a laser da Equipe de Stern e outros, foram significativos para os primeiros dados de estudos controlados, que resultaram em análises da ablação de corpos da meteoritica. Os dados coletados e analisados com o respectivo desenvolvimento da fusão na crosta, codificados com dados numéricos da ablação foram calibrados em contrapartida aos dados já catalogados.

Neste artigo, a simulação experimental das condições de entrada, foram condicionadas pela exposição do fragmento para uma alta entalpia subsônica de feixe de plasma no ar. O teste em princípio, condizem com os testes efetuados por Shepard e outros. (1967). As entalpias são parecidas, entretanto a pressão total é maior (Uma exceção das condições de testes de Shepard e outros) e além do fluxo de aquecimento ser maior. O objetivo das medidas deste artigo em si, foi para a identificar o espectro de emissão durante a ablação em estágio inicial de aquecimento; e para analisar como é possível o processo de fragmentação. Três fragmentos foram testados: Dois foram rochas terrestres, em ordem-: Basalto/ Argilito e também, um fragmento de meteorito da classe dos condritos ordinários H4.

O tempo decorrido entre cada amostra das quais foram expostas ao feixe, não fora pré-estabelecidas. As amostras foram expostas ao plasma até elas se desintegrarem. Logo, a instalação foi desligada rapidamente, então o aquecimento foi imediatamente interrompido.

Cinco tipos de diagnósticos foram enviados simultaneamente: Fotografia, Vídeo, Imagens em alta velocidade, termografia e espectroscópio de emissão atômico Echelle.

Na próxima parte do artigo, a explanação detalhada das configurações da instalação, diagnósticos e resultados coletados. A parte seguinte, mostra as reduções dos dados para cada amostra separadamente e seus detalhes de observância. Em uma comparação separada, a redução espectroscópica de dados e suas configurações, foram analisadas em concordância com a temperatura aparente e o espectro observado experimentalmente.

  1. Ensaios

Os experimentos contidos neste estudo foram introduzidos em um tubo de feixes de plasma chamado PWK1 (Loehle e outros. 2016a). A amostra foi colocada em uma plataforma em movimento, dentro de uma câmara a vácuo, nas dimensões de (6 metros de comprimento e 2 metros de diâmetro), no qual foi conectado no interior de   um sistema de bomba a vácuo.

A camara a vacuo é consideravelmente grande. Esta condição, para evitar influências significativas vindas da camara para o campo do fluxo em si. O gerador de plasma RD; um  gerador de arco de jato magnetoplasmadinamico, no qual é montado na tampa frontal de um receptáculo ( Auerter-Kurtz e Wegmann 2000). A elétrica é fornecida por um regulador de corrente 6MW conectado em uma fonte de corrente contínua. Toda a integridade da instalção é monitorada atraves de 45 sensores para minutar as temperaturas, escalas de potência, processo de resfriamento e dados da pressão.

Tanto os corpos de prova, como o sensor voltado para o plasma, podem ser movidos em três eixos dentro da camara. Um feixe específo nestas condições; é controlado por um regulador de pressão ambiente no receptáculo. A massa gasosa flui através do gerador e a corrente controlada  no gerador ( Loehle e outros. 2016 a). Estes parâmetros resultam e uma repetção do fuxo de aquecimento e a pressão total em uma posição axial com  as restrições  da embocadura  do gerador, na linha central do feixe de plasma. O fluxo de aqueciento e a pressão total, são mensurados em experimentos distintos durante as respectivas provas. (Loehle 2016; Loehle e outros;2016 a).

Durante o tempo de testes das amostras, os fragmentos na parte frontal são posicionados no mesmo eixo de posição da medida do fluxo de aquecimento e a pressão total sistêmica. As medidas dos parâmetros do gerador e da pressão ambiente mostram que, em condições predeterminadas, o fragmento é apontado para a mensurar o fluxo de aquecimento e a pressão total. Na fase inicial do túnel de plasma, a sonda é posicionada do outro lado do feixe e não são aquecidos. Quando as condições são configuradas, a sonda é movida rapidamente para definir a posição para o feixe, o corpo de prova, tem evidências de aquecimento nestas condições.

Está presente investigação foi conduzida usando a pressão total sistêmica modificada da sonda (Loehle e outros; 2016 a). A sonda é o suporte para o fragmento a ser testado. Esta sonda é resfriada por um resfriamento a base de água, e resiste a carga aquecida. Normalmente uma plataforma é projetada entre as amostras testadas e o suporte de refrigeração dispostas de forma a evitar o resfriamento do fragmento. A figura 1, mostra o esboço do fragmento acoplado na sonda, como visto no topo da imagem. Os fragmentos são conectados na parte traseira com um tubo de cobre para a sonda.  Este tubo só é conectado na amostra a ser aquecida para a sonda de resfriamento. A figura 5, mostra na parte esquerda uma amostra antes do teste e o cilindro de cobre após o teste, quando o fragmento sofreu completa ablação.

As condições de fluidez escolhidas foram investigadas exaustivamente a partir de análises feitas no solo e as características da reentrada do Hayabusa em 2010, no qual teve uma reentrada na órbita superior (Loehle e outros. 2012; Hermann dentre outros;2016). Esta reentrada foi também observada com instrumentos abordo de uma nave espacial (JenniKens 2010; Loehle, dentre outros. 2012).

Os parâmetros definem a condição para a presente investigação resumidos na tabela 1. O fluxo de aquecimento e a pressão total foram determinadas em testes separados. O aquecimento localizado foi mensurado com um anteparo frio de cobre oxidado com a sonda de bitola de 80 milímetros de diâmetro (Loehle 2016). Este foi dividido em escalas no modelo padrão geométrico correlatado no que resulta em aproximadamente 16 MW m -² (ASTM Internacional de 2005).

Existem vias de acesso óticas disponíveis na zona de teste nas quais foram usadas para observar o comportamento dos fragmentos durante o experimento. A Figura 2 mostra uma explanação esquematizada vista de cima, da posição dos cinco métodos de diagnósticos utilizados.

Os métodos de diagnóstico foram escolhidos de forma ordenada ao processo fenomenológico de curta duração e o sinal espectral da ablação dos fragmentos paulatinamente. A temperatura natural foi detalhada usando sistema de termografia por vídeo, com taxas de quadros acima de 60 Hz, O espectrômetro Echelle foi colocado para adquirir espectros dentro da faixa de 250 e 880 nm, com tempos de exposições muito curtos e as altas taxas de quadros da imagem, foram expostas em taxas de quadros de 10Khz (Zander e outros;2015. Loehle e outros;2016b). Todo o sistema adquiriu dados simultaneamente e foram comedidos.

As rochas foram preparadas como cilindros de 10 milímetros de diâmetro e cerca de 10 milímetros de comprimento. Isto permitiu uma comparação direta dos resultados, porque todas as três amostras sofreram as mesmas condições de pressão e carga de aquecimento. Um buraco de 2 milímetros foi perfurado do lado traseiro, para ajustar as amostras do tarugo de cobre arrefecido. (Vide figura 8, Loehle e outros. 2016 a). O experimento com o recipiente de cobre por si só, foi arrefecido por água resistindo a altas cargas de aquecimento indefinidamente.

Os experimentos foram testados como observadores. As amostras foram posicionadas lateralmente do lado de fora da corrente e perto da válvula de escape do gerador. Isto assegurou o tempo de exposição mínimo da amostra, durante a fase inicial na instalação.  Normalmente, o teste condicionado, é alcançado dentro de 3 minutos. Depende sobretudo do ajuste da pressão. Quando todos os parâmetros foram estabilizados, a amostra foi movida rapidamente para a distância necessária ao gerador de plasma (x=270 milímetros), logo depois, centralizada no fluido. Em movimento retrógado com cerca de 8 segundos e movimento lateral em direção ao feixe por 4 segundos. Porém, um significativo aquecimento ocorre somente nos últimos 50-100 milímetros, no qual decorreram mais ou menos 2 segundos. O tempo do teste começou (T= 0s) quando o especificado teste de posição foi alcançado. O plasma desligou-se quando o fragmento do meteorito desintegrou, mas todas as coletas de dados, continuaram até o ponto em que as informações úteis, foram coletadas.

 

3 Métodos de Diagnósticos

 Os seguintes subcapítulos apresentam os detalhes dos métodos de diagnósticos aplicados.

3.1 Termografia

O sistema termográfico de câmera comercial (Lumasense Mikron MCS640) foi usado para mensurar a temperatura aparente da superfície. O sistema foi calibrado acima de 3273 K com o padrão fixo de comprimento de onda de 960nm e sua emissividade ajustada predefinida por um software para o experimento. A radiação foi detectada com um detector siliconado com 640 X480 pixels, calibrado pelo fabricante, um filtro contra a radiação de corpos opacos.

Para a investigação nestes testes, a emissividade foi definida como e= 0,83 para as três amostras. Esta definição foi padronizada a partir da amostra do Ureilito (Loehle e outros. 2016 c). Outras rochas possuem valores similares, daí a escolha padrão para os outros. A taxa de quadros do sistema foi restringida pelo adaptador gráfico para 4afps. As medidas foram compensadas pela perda de transmissão da abertura da câmara a vácuo, com o valor devido a abertura de (t = 0.93). Este é o valor padrão para aberturas disponíveis (BK7).

Todos os dados foram armazenados em formato de vídeo próprio, entretanto, não podem ser lidos depois dos experimentos como imagens únicas para análise de dados adicionais. Ferramentas foram desenvolvidas para corrigir após o teste e fazer a leitura em particular de regiões de interesse.

Nesta presente análise, muitos aspectos interessantes apontaram dados importantes sobre como distinguir as mudanças aparentes na emissividade do material em fusão. Com efeito, uma pequena elipse cerca do centro revelou dados adicionais nas análises da amostra. Na fase inicial do teste, esta elipse, provavelmente é menor que   que o fragmento, mas é o suficiente para mensurar a temperatura aparente do fragmento. A emissividade de um fragmento em fusão provavelmente é diferente da emissividade já datada em estado sólido. Isto não foi considerado suficiente no início dos testes.  As gotículas da matéria em fusão, vistas no fluxograma abaixo indicam que sua respectiva temperatura é maior ou a emissividade é menor. A mais alta temperatura aparente de fusão das gotículas, ocorrem anteriormente e também pode ser devido a seu valor de emissividade baixo; mas apenas, a emissividade foi como o intuito de gerarem boas compreensões para Loehle e outros (2016 c); neste experimento.

3.2 Imagens em Alta Velocidade

Um sistema de câmera de altas taxas de quadros, disponíveis no mercado foi usado. Este, consiste em uma combinação de uma câmera Optronis CR50000x2 e um intensificador HiCATT 18.

A resolução máxima da câmera Optronis é de 512×512 Pixels, por Taxa de quadros acima de 5kHz. A máxima taxa de quadros separadamente é 0,6 MHz. Mas muito inferior na resolução do pixel. Nesta investigação a câmera foi usada em 10kHz. O sensor da câmera possui proporções de 16 x 16 μ M² no tamanho do pixel com 8 bits de intensidade da cor de gravação. O espectro sensível foi otimizado

Para o espectro de comprimentos de ondas visíveis (Entre 400nm e 700nm). Tendendo ao infravermelho, a sensibilidade da câmera decresce bastante acima de 1000 nm.

O intensificador de imagem é um sistema híbrido composto por um Gen. II seguido por um intensificador Gen. I.O tempo mínimo de disparo é 40 ns, com o ganho do intensificador variando de 500 à 900 V. Um ganho de aproximadamente 100-10.000 no espectro sensível de 200 à 900nm podem ser vistos. Anexado na parte frontal do intensificador, colocou-se lentes Nikon Zoom NiKKor 28-85 mm e foco de f/3.5–4.5.

Este sistema é normalmente usado, para analisar comportamentos de altas frequências na instalação. Muito útil para observar eventos em potencialmente rápidos com resoluções suficientes (Zander e outros. 2015, 2016).

3.3 Espectrômetro Echelle

O recurso principal do espectrômetro Echelle é a facilidade de uma razoável largura dos intervalos dos comprimentos de ondas em uma única exposição.  Assim sendo, é um forte candidato para espectroscopia de emissão de feixe ótico. Para as transições de fases e suas mudanças, como fragmentação de naves sondas espaciais, durante a reentrada de forma fiel a partir de laboratórios em solo, baseados em túnel de plasma, para observações térmicas e processos químicos em desequilíbrio.    (JenniKens e outros 2016; Loehle e outros 2016 b).

A grade do Echelle; é uma rede de difração com cerca de 300Imm-1; com altas taxas de índice de difração. Ex: Cerca de 40-60. Com uma grade montada posteriormente com um índice de difração mais elevado, utilizando cerca de 1000Imm-1. Os espectros desta malha do Echelle são dispersados e alinhados posteriormente. Desta forma, se atinge faixas de comprimentos de ondas grandes e em alta resolução. A desvantagem deste método é a eficiência limitada, o que muitas das vezes os limites dos sensores, neste tipo de configuração, resultam em partes de comprimentos de ondas sem detecção, aonde pode haver alguma informação de interesse no experimento.

Neste experimento, foi utilizado um espectrógrafo ARYELLE 150 feito pela   LTB LASERTECHNIK BERLIN. Este espectógrafo em particular, foi ajustado pelo fabricante, para a aplicação como um método de medição para observações do fluxo aéreo e testes de túnel de feixe de plasma neste grupo de pesquisas. As regiões de comprimentos de ondas, cobre  de 250-880nm; com uma resolução de pixel de 43pm na extremidade  de ondas curtas e 143pm na extremidade de comprimento de ondas longas. As vantagens deste sistema Echelle é sua forma compacta,com a fibra óptica de detecção e com tempos de exposição curtos. O detector é um EMCCD com 8 m m ‘8 m de tamanho de pixel e resolução de 14 bits. Em comparação com um  amplificador ICCD, que é frequentemente aplicado para espectroscopia Echelle, esta configuração é robusta e compacta.
Na configuração atual, uma lente f = 100mm, foi usada para coletar a radiação do fragmento quente e do plasma. A de 4mm de abertura foi usada para redução do campo de visão restrito para rocha. A Figura 3 (à esquerda) mostra o anteparo de coleta montado na abertura da câmara. Um estágio de translação de dois eixos e um estágio de rotação adicional permitiram o alinhamento manual fino. Dados abaixo de cerca de 350nm não puderam ser adquiridos devido ao limite de trasmitância da abertura. A luz foi absorvida com a lente e concentrada na entrada da fibra, que estava ligada ao espectrógrafo. O sistema ótico de absorção foi montado numa das aberturas, na tampa frontal permitindo assim, a visualização da superfície da amostra (ver Figura 2). A emissão de um feixe de laser vermelho traversal a posição da fibra de detecção, permitiu o alinhamento ótico. A Figura 3 ilustra um feixe de laser vermelho que cobre o fragmento. Não há luz vermelha sobre um pedaço de papel colocado atrás da amostra, o que demosntra que apenas o fragmento é observado pelo espectrógrafo Echelle. Os espectros foram calibrados para uma radiação absoluta, colocando um feixe de luz calibrado (Gigahertz BN102, calibrado em 2015) no local de medição. Os sinais adquiridos pela câmera foram então colocados em comparação, com ​​às medições de calibração. O sistema também foi verificado no que tange à linearidade, com seu tempo de exposição; e seu comportamento logarítmico da amplificação do multiplicador de elétrons da câmera de absorção. A Figura 4 mostra um espectro de exemplo a partir da observação da amostra de condrito; incluindo a curva do corpo opaco subjacente; e também, uma curva de Planck ajustada com T = = 2273K.

4. Resultados  

Foram testados três fragmentos diferentes: um basalto do perído de formação da Terra-Pleistoceno (coletado em Chanteuges, França), um argilito oligocênico (coletado no SE da França) e um meteorito (condrito comum El Médano 132, classificassão H4). Condritos comuns são, com efeito, os tipo mais encontados de meteoritos, totalizando 80% do número total de meteoritos que caiu nos últimos dois séculos. Para a amostra de argilito e EM132 ; em todos os métodos de diagnóstico realizados, se coportaram de forma similar. Durante o teste do basalto, houve um erro de software devido ao qual a câmera de termografia não capturou no tempo esperado.  Observou-se um comportamento de ablação essencialmente diferente para os três fragmentos e, registaram-se três diferentes análises espectrais. Os detalhes são descritos nas subseções a seguir.

 4.1.Basalto   

A Figura 5 esquematiza a amostra antes e após o teste. Não há material deixado após o teste. A amostra começou a fundir imediatamente após a inserção no fluxo. A forma originalmente cilíndrica mudou muito rapidamente e bruscamente, formando uma ponta de um geóide. O material ainda em estado de fuidificação, escoou sobre o anteparo da sonda e depois desapareceu. Isso aconteceu com tamanha velocidade,que  todo o material foi perdido em cerca de 4s. A Figura 6 mostra uma sequência de imagens do vídeo de alta velocidade. O fluxo está vindo da esquerda. As  capturas das imagens são feitas em intervalos de 2ms. Pode-se ver a formação de uma gota viscosa grande (image1) e forma uma listra mais à direita; (image 5) antes de ser desprendida e transportada, junto com o fluxo de plasma Imagem(8-10)

A Figura 7 mostra um espectro do Echelle capturado cerca de 2s após a inserção da amostra. Na figura, o fundo contínuo, isto é, a curva de Planck, é subtraída. Nas seções a seguir, todos os dados espectrais são plotados de uma maneira similar: o espectro de fragmentos medidos é plotado como uma linha pontilhada. A radiação atômica detectada é assinalada por linhas retas indicando a posição da linha. O espectro do fragmento de basalto mensurado,  mostra apenas radiação atômica com linhas muito intensas, a partir do fragmento e, algumas linhas atômicas de oxigênio e nitrogênio que estão mais provavelmente, ligadas ao fluxo de plasma do que à amostra. (Shepard e outros). Também testou-se uma amostra de basalto em seu estudo em frothening feito em 1967 (Shepard e outros., 1967).  Os espectros adquiridos na época ,tinham uma resolução muito menor. Uma faixa espectral grande de sódio (aproximadamente 589 nm) aparece nestes conjuntos de dados. Esta linha também foi medida no presente experimento. No espectro em análise, também são medidas escalas grandes de potássio, cromo, hidrogênio e ferro. Além disso, uma linha de rubídio foi identificada. Um espectro pequeno de lítio a 670nm também foi constatado. O sistema termográfico infelizmente, falhou durante esta experiência. Justamente na partida do experimento , caudada por um erro de  inconsistência do software.

4.2 Argilito  

Observou-se um mecanismo de fusão significativamente diferente, para a amostra de argilito, em comparação com o basalto. A Figura 8 esquematiza a amostra antes (à esquerda) e após o teste (à direita). A instalação foi desligada, até se ter suficiente material derretido no anteparo da sonda. Embora a forma cilíndrica mudasse tão rapidamente como durante o teste com a amostra de basalto, o comportamento era muito diferente. Pequenas gotas de material aparentemente derretido foram escoadas na superfície e pareciam ser conduzidas mais a abaixo, como uma espécie de riacho . A Figura 10 mostra isso em uma série de imagens do vídeo de alta velocidade. Curiosamente, as imagens mostradas nesta série são com um intervalo de tempo de 1,5ms. Isso mostra que, embora os processos pareçam semelhantes tanto para o argilito como para o basalto, eles se tornam significativamente mais rápidos para a amostra de argilito. Também se pode ver que no lado inferior do fragmento, o material fundido começa a ser desprendido. (imagens 8-10). A amostra de argilito é muito frágil e, tem uma porosidade elevada, pelo que demonstra , no qual o fluxo de gás quente interno libera mais rápido do que na superfície,em comparação a amostra do basalto. Os dados de vídeo mostram que estas bolhas eram líquidas e foram escoadas ao redor do anteparo da sonda. Após o teste, algumas estrias ainda são vistas no anteparo da sonda (veja a Figura 8). Na Figura 9, a foto no lado esquerdo, mostra as pequenas bolhas na superfície da amostra do argilito já arredondada. A estranha distribuição aparente do Plasma; em torno do fragmento, é pelo fato do tempo de exposição muito curto (1 / 8000s). A alta velocidade de fluxo, e a orientação do ircuito eletrônico da câmera; resultam em um efeito chamado de obturador rolante. A amostra atingiu aproximadamente a mesma temperatura aparente de cerca de 1900K. O espectro do argilito, é representado graficamente na Figura 11. A característica principal, que aparece em comparação com as outras amostras; é a emissão de banda molecular de CN no intervalo de comprimento de onda ultra-violeta; mostrado na Figura 11; como suplementar e separadamente na Figura 12. Isto é devido ao Presença de carbono (algumas faixas de carbono também são visíveis) e sua recombinação com o nitrogênio atômico no campo do fluxo. Foi utilizado um espectro sintetizado, utilizando a base de dados do software PARADE para esta banda. A comparação é mostrada na Figura 12. As temperaturas de vibração e de rotação resultantes são = T 9644 vib K e = T 7500 rot K, respectivamente. O software PARADE é uma ferramenta desenvolvida para a Agência Espacial Européia para o cálculo da radiação de feixes de emissão de átomos e moléculas (Liebhart e outros., 2012). O fundo contínuo, isto é, a curva de Planck, foi subtraída para maior clareza. A temperatura do fluxo livre, nesta condição de fluxo, para o nitrogênio molecular é = T 11.660 ( Em deconposição), N2 K e = T 13.280 vib, N2 K (Hermann e Outros., 2017). Isto mostra claramente, que as espécies de camada limítrofes, exibem temperaturas significativamente mais baixas, devido ao efeito de arrefecimento da ablação. Este efeito é esperado no vôo em condições naturais, e contem temperaturas de excitação relativamente baixas, relatadas por Vojáček e Outros. (2015). Isto indica, do ponto de vista da análise de dados e, comparação com os dados de voo em condições naturais, que o fluxo do túnel do feixe de plasma; é adequado para a simulação experimental do cenário de voo de meteoros em condições naturais.

4.3. Condrito Comum 

A amostra EM132 é um fragmento do meteorito El Medano 132, um condrito da classe H4. A Figura 13 mostra fotografias de antes e depois do teste. O material fundido com viscosidade é obviamente maior. No final do teste são pouco mais opacos. Nos dados de vídeo, verifica-se também que existem pequenos fragmentos, que saem da superfície que se fixam ao anteparo da sonda. Se essas peças são derretidas ou não ainda está sobre estudos . A amostra de EM132 atingiu a temperatura de superfície aparente mais elevada ; 2400K. O espectro (ver Figura 16) mostra características esperadas para um condrito comum com lotes assinalados na parte dos espectros do ferro, juntamente com silício, sódio, potássio e manganês. Na figura, o fundo contínuo, isto é, a curva de Planck, é subtraída. Como nos outros testes, os espectros atômicos do nitrogênio e oxigênio aparecem. Estes são mais prováveis que sejam derivados do fluxo de ar plasma, em vez de ser do próprio fragmento de meteorito.

5. Comparação 

Os conjuntos de dados termográficos e a avaliação da temperatura da superfície a partir dos dados do Echelle são comparados na Figura 17. Como mencionado acima, nos conjuntos de dados do Echelle, é observado um feixe contínuo nítido. Isto é usado para determinar uma temperatura de radiação de superfície, usando a fórmula de Planck. A Figura 17, mostra a temperatura ao longo do tempo de ensaio. Os dados do Echelle foram reduzidos, para ajustarem-se ao tempo dos conjuntos de dados termográficos. No entanto, ainda existe uma discrepância entre as duas medições, que está relacionada com um atraso de taxa de quadros desconhecido no sistema termográfico. A tendência geral dos dados avaliados, a partir do Echelle e a imagem termográfica, é semelhante. A discrepância entre os valores absolutos é provavelmente devido à diferença de emissividade da amostra. Para a presente investigação, a emissividade foi ajustada para ò = 0,83, que é um valor determinado experimentalmente para uma amostra de urelito (Loehle e Outros., 2016c).     O aumento da temperatura determinado a partir dos dados do Echelle; para a amostra de EM132; é provavelmente devido ao formato continuamente decrescente da amostra que, resulta na detecção não apenas da amostra, mas também do plasma quente. Este plasma quente resulta numa temperatura aparente mais elevada.    C omparando os três espectros diferentes, uma distinção clara entre os tipos de fragmentos é possível com base nos dados espectroscópicos de emissão. Embora diferentes materiais já tenham sido testados por Shepard e Outros. (1967); esta comparação não foi publicada e; possivelmente não foi viável com o equipamento experimental naquela época. A configuração experimental da presente investigação apresenta uma resolução espectral mais elevada a taxas de fotogramas mais elevadas e é, portanto, muito adequada para investigar as características espectrais de diferentes materiais ,com mais rigor. Pela primeira vez, são apresentados espectros claramente distinguíveis para diferentes materiais representativos em um cenário em condições naturais de voo. O espectro do Echelle ,com o fragmento de condrita é mostrado na Figura 13. Adicionalmente, um espectro observado a partir de uma órbita típica de asteróide-condrítico é reproduzido a partir dos dados de observação publicados por Vojáček e Outros. (2015). O fundo contínuo é subtraído para maior clareza. Os dois espectros são muito similares. Especialmente abaixo de 700 nm, o espectro da amostra de EM132 é bem comparável ao espectro de Vojacek. Existem picos diferentes nos dados observados, que podem ser associados as faixas do ferro e, também um pico de sódio abrangente foi observado durante a entrada do meteoro. A resolução da observação é muito mais baixa do que os dados espectroscópicos do Echelle, no teste do túnel de Feixe de plasma. Isto é devido ao simples sistema de observação, que consistia em um intensificador de imagem Mullard, uma câmera de vídeo simples S-VHS-C e um gradiante de transmissão de 600lmm-1. Em cerca de 850 nm houve a perda de dados de observação.
Estes dados espectrais confirmam que, a análise espectral medida na instalação de ensaio em terra; está intimamente ligada ao tipo de material, e pode ser muito bem comparada aos dados de observação. Testes adicionais com mais fragmentos de meteorito; permitirão a identificação de entradas de meteoritos, com base na sua análise espectral. Além disso, a alta resolução espectral permite uma comparação detalhada entre as ferramentas experimentais e preditivas, como modelos da ablação meteorítica.

6. Conclusão

A presente investigação de duas rochas terrestres e, um meteorito rochoso; mostra o comportamento de tais materiais em condições de voo natural; comparáveis ​​numa instalação de ensaio no solo pela primeira vez. Imagens termográficas, vídeos de alta velocidade e espectros do Echelle; no intervalo de comprimento de onda 350-880nm, levam à conclusão de que o processo de ablação no teste de solo; é bem comparável ao que é entendido a partir de dados observacionais.
O teste bem-sucedido, mostra diferenças claras: o processo de fragmentação varia entre os materiais. O fragmento poroso; mostra gotículas na superfície, enquanto que os materiais mais densos derretem conforme o esperado. Os dados espectroscópicos, mostram que os fragmentos de meteorito podem ser claramente distinguidos pelos diferentes materiais. Cada fragmento, apresenta uma faixa espectral nítida. As linhas com maiores faixas, se adequam bem aos dados observados. Portanto, os dados deste estudo podem ser usados ​​para analisar ainda mais, as entradas de meteoro, comparando os testes de solo com materiais conhecidos, aos espectros medidos a partir de observações. Eventualmente, isto permitirá conclusões a respeito da origem meteórica. Assim, a análise da ablação de material meteorítico, em um feixe de plasma de ar de alta entalpia, de uma instalação de teste de solo, pode suportar respostas potenciais para aquisição de dados.

Fonte: The Astrophysical Journal, 837:112

Tradução: Tiago Torres 

Revisão: Marcelo de Cicco

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