¿Por qué los cráteres son (casi siempre) redondos?

Teniendo en cuenta la cantidad de trayectorias en las que un objeto se puede dirigir hacia la Tierra, parece lógico que la mayoría de los meteoritos caigan en ángulo y excaven cráteres más «alargados», así que el comentario generó varias respuestas interesantes, como que la gravedad de la Tierra modifica la trayectoria de los asteroides de manera que todos impactan de manera perpendicular al suelo o que la componente vertical de la velocidad durante la caída de un meteorito es tan grande que su velocidad horizontal no tiene ninguna influencia durante el impacto. Aun así, ninguna de ellas conseguía explicar la verdadera causa de este fenómeno porq…

… Porque están asumiendo que un meteorito choca contra el suelo como si fuera una piedra lanzada con mala leche, ¿verdad?

En efecto, voz cursiva. Me explico.

Todos hemos visto lo que pasa cuando tiramos una piedra contra el suelo en ángulo. Si cae sobre una superficie rígida, rebota y sigue su camino, chocando de vez en cuando contra el suelo hasta que la fricción disipa toda su energía y se detiene por completo. En cambio, si hacemos el mismo experimento sobre arena o barro, la piedra excavará un surco más o menos alargado en la dirección en la que se estaba moviendo. Y a primera vista da la impresión de que un meteorito debería hacer lo mismo al estrellarse en ángulo contra el suelo.

Pero no, no es eso lo que ocurre.

Además de la masa involucrada, existe una diferencia crucial entre la piedra lanzada por una persona y un meteorito: la velocidad con la que la roca toca el suelo. El ser humano medio conseguirá que la piedra se estrelle contra la superficie terrestre a algunas decenas de kilómetros por hora, pero los meteoritos llegan al suelo a velocidades de decenas de kilómetros por segundo (km/s).

A alrededor de entre 16 y 32 km/s, los meteoritos poseen una energía cinética tremenda. Cuanto mayores sean la masa y la velocidad de un objeto, más energía cinética (o «de movimiento«, si os ayuda más verlo así) tendrá. Hay que tener en cuenta que la velocidad contribuye más a la energía cinética que la masa, porque ésta depende de ella de forma cuadrática. Esto significa que doblar la masa de un objeto y conservar su velocidad hará que éste duplique su energía cinética, pero su energía cinética se multiplicará por 4 si su masa se conserva y lo que se duplica es la velocidad.

(Fuente)

Ok, vale, estupendo, todo esto está muy bien, pero no sé muy bien en qué se traduce todo esto de la «energía» de un objeto.

Sí, es que puede parecer un concepto muy general porque la gente utiliza el término «energía» para cualquier cosa, pero cuando en física se habla de la energía de un objeto, se está hablando de su capacidad para realizar trabajo. A su vez, en el sentido físico, el trabajo no es más que la capacidad que tiene algo de mover otras cosas (linchadme, físicos). Y esas cosas pueden ser desde planetas hasta partículas.

Por ejemplo, el trabajo que realiza un meteorito (con toda su energía) durante su paso por la atmósfera consiste en sacudir de manera muy violenta las moléculas del gas. Como la temperatura no es más que un reflejo de lo rápido que se mueven las moléculas que componen un objeto, el choque del meteorito contra la atmósfera comprime y calienta el aire frente a él. La temperatura aumenta tanto que el aire se vuelve incandescente y, además, se expanda y produzca ondas de presión. El fenómeno es tan violento, que incluso es posible que el meteorito explote en la atmósfera.

¿Pero cómo va a explotar un meteorito en medio del aire, si no está cargado de ningún material explosivo?

Como bien explican en este artículo de WIRED, un meteorito puede explotar antes de tocar el suelo si la atmósfera ejerce suficiente fuerza contra él: el aire que hay frente al meteorito empuja un lado de su superficie en la dirección contraria a su movimiento, pero el resto de su masa sigue empujando el objeto hacia el suelo. El resultado es una fuerza compresiva provocada por las dos fuerzas dirigidas en sentidos opuesto.

Pero, claro, los meteoritos no se van a deformar mucho ante estas fuerzas porque son cuerpos rígidos. En su lugar, la estructura del meteorito acumulará tensiones en sus imperfecciones hasta que su punto más débil se desmorone ante la presión. Es entonces cuando, toda la tensión acumulada en el material se libera de golpe, produciendo la explosión. El proceso se puede visualizar mejor con una pila de monedas: si las apilamos de manera que queden perfectamente alineadas y luego comprimimos el montón entre los dedos, la estructura aguantará perfectamente la presión pero, si una de las monedas está mal alineada y aplicamos demasiada presión sobre el sistema, saldrá disparada y el resto de monedas caerán tras ella.

En el minuto 1:55 del siguiente vídeo del Hydraulic Press Channel (lo mejor que le ha pasado a Youtube en mucho tiempo) se puede ver el pedestal rígido de un trofeo explotando bajo la presión de una prensa hidráulica:

Ocurre algo más espectacular cuando comprimen un cojinete. y hasta un libro puede explotar si se le aplica la presión suficiente.

Y, por supuesto, cuando un meteorito explota en la atmósfera, produce una onda de choque en el aire que puede llegar a causar daños en la superficie.

Un ejemplo del poder destructivo de un meteorito que ni siquiera toca el suelo es el meteorito de Chelyablinsk, que explotó sobre Rusia en 2013. El meteorito medía unos 20 metros de diámetro, entró en la atmósfera a 19 kilómetros por segundo y reventó con una energía de 500 kilotones (500.000 toneladas de TNT o 12,5 veces más potente que la explosión de la bomba atómica que se lanzó sobre Hiroshima) a una altura de 29,7 kilómetros. La explosión no mató a nadie, por suerte, pero sí hirió indirectamente  a 1.491 personas, ya sea por los cristales que rompió la onda de choque, los daños oculares por su brillo e incluso hubo un hombre que sufrió quemaduras por la exposición a su intensa radiación ultravioleta.

Os dejo por aquí una recopilación de los vídeos grabados durante el evento para que os hagáis una mejor idea de lo energético que fue el fenómeno:

Pero, bueno, ya me he ido por las ramas.

Un meteorito suficientemente grande o resistente no reventará al entrar en contacto con el aire. Si el meteorito sobrevive a su accidentado viaje a través de la atmósfera, entonces llegará hasta el suelo y realizará tanto trabajo como la energía que le quede le permita.

Cuando un meteorito se estrella contra la superficie (a velocidades de varios kilómetros por segundo), el aire se comprime muchísimo frente a él, por lo que se calienta hasta temperaturas tremendas y se expande, formando una onda de choque. En el momento en el que toca la superficie, también comprime violentamente la roca, lo que provoca otra onda de choque que se propaga a través del suelo. La presión y la fricción generadas calientan todo el material hasta temperaturas que pueden vaporizar la roca y, como podréis imaginar, de todo este desastre sale despedida una gran cantidad de materia, ya sea en forma de trozos de roca de distintos tamaños, polvo o gas.

(Fuente)

¿Y cuánta energía se libera durante el impacto de un meteorito?

Depende su tamaño, su forma y su velocidad, claro. En esta herramienta podéis introducir los parámetros de entrada de un objeto en la atmósfera y calculará si vuestro meteorito imaginario estallará en la atmósfera o llegará hasta el suelo (y con qué energía lo hará).

Aunque la velocidad influye en el desenlace, los meteoritos que llegan hasta el suelo suelen ser más grandes (con diámetros superiores a 100 metros) que los que explotan en el aire. A unos 17 kilómetros por segundo, el impacto de un meteorito de este calibre libera una energía del orden de 4 megatones (4 millones de toneladas de TNT), mientras que el impacto de un meteorito de 150 metros de diámetro alcanza 71 megatones… Una energía casi 1,5 veces superior que la de la explosión de la mayor bomba jamás detonada en la Tierra, la Tsar Bomba, de 50 megatones.

Un objeto de 1 kilómetro de diámetro estallaría con una energía de unos 47.000 Megatones y, con unos 10 kilómetros de diámetro, se cree que el meteorito que extinguió a los dinosaurios provocó una explosión 2 millones de veces más energética que la Tsar Bomba (o los remató, como comentaba en esta otra entrada).

Y aquí está finalmente la respuesta a la incógnita de hoy: la inmensa mayoría de los cráteres son redondos porque el impacto de un meteorito se parece más a una explosión que a un choque. Dicho de otra manera, la energía liberada durante el impacto es tan enorme en comparación con lo que pueden soportar los materiales involucrados en la colisión que poco importan la velocidad y la trayectoria que llevara el meteorito, porque las ondas de choque generadas tanto en el aire como en el suelo se expandirán de manera simétrica en todas las direcciones, dando la forma circular al cráter.

Así que, nada, Odin, ahí tienes tu respues…

¡Espera! Me he fijado en que has dicho que «la mayoría» de los cráteres son redondos. ¿Hay alguno que no lo sea?

En efecto, voz cursiva, un meteoritos que se estrelle contra la superficie de un planeta en un ángulo muy cerrado sí que puede llegar a dejar un cráter alargado. Se trata de un fenómeno infrecuente, pero hay algunos ejemplos en nuestro sistema solar.

En este enlace podéis ver un cráter alargado en la Luna, en el Mare Tranquilitatis, y en este otro aparecen otros tres en Venus, la Luna y Marte (aunque el de Marte podría ser el resultado de una cadena de impactos, después de que un meteorito se rompiera poco antes de tocar el suelo). Mercurio alberga el cráter alargado Hovnatanian y hay otro cráter alargado en Marte en el que se puede ver la curiosa distribución del material que fue eyectado durante el impacto.

Por otro lado, creía que el cráter que aparece en la siguiente imagen de la superficie marciana tenía el mismo origen (de hecho, lo publiqué en Facebook hace un tiempo como ejemplo de un cráter alargado por un impacto en ángulo), pero parece ser que es más probable que se trate de la marca dejada por un sólo meteorito que se rompió en muchos pedazos antes de estrellarse contra el planeta rojo:

El cráter mide 78 kilómetros de longitud, por cierto.

Y… Bueno, creo que ya está todo dicho. ¿Alguna pregunta más, voz cursiva?

No, no, todo en orden por hoy.

Estupendo, demos paso a publicidad.