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Impact d'astéroïde

Choisis la taille, le matériau, la vitesse et l'angle — et ressens l'énergie en joules et en mégatonnes de TNT.

Choisis une taille, un matériau, une vitesse et un angle. L'atmosphère a d'abord son mot à dire : les petits corps fragiles éclatent dans le ciel, les gros ou les plus résistants la traversent. Puis l'énergie devient boule de feu, onde de choc et cratère. Chaque chiffre provient des équations publiées de l'Earth Impact Effects Program.

Ton astéroïde
Se fragmente à ⁦54 km⁩, mais l'essaim de fragments frappe tout de même le sol à ⁦16,1 km/s⁩Cratère complexe : ⁦4,9 km⁩ de diamètre, ⁦640 m⁩ de profondeur
Composition

Petits chiffres : masse volumique en kg/m³.

11 km/s est le minimum possible (la vitesse de libération de la Terre) ; 72 km/s, une comète rétrograde arrivant de face.

Mesuré depuis l'horizon : 90°, c'est à la verticale. 45° est l'angle le plus probable.

Lieu d'impact
Énergie (équivalent TNT)
1 460 Mt de TNT
6,1×10¹⁸ J · ≈ ⁦98 000⁩ × Hiroshima · ⁦1 320 Mt de TNT⁩ atteignent le sol
Cratère final
4,9 km
Cratère complexe · profondeur ⁦640 m⁩
Rayon de la boule de feu
3,5 km
Sa chaleur est tracée sur la carte
Séisme (magnitude)
M 6,7
Autant d'énergie : environ une fois tous les ⁦32 000⁩ ans

Cercles de dégâts à l'échelle réelle

Touche la carte ou fais-y glisser le doigt — ou utilise le curseur — pour lire les effets à n'importe quelle distance.

50 km100 km150 km53 kmPoint zéro50 km
  • Cratère 2,4 km
  • Boule de feu 3,5 km
  • Les vêtements s'enflamment 28 km
  • Brûlures du troisième degré 42 km
  • Brûlures du deuxième degré 54 km
  • 20 psi · bâtiments en béton détruits 24 km
  • 5 psi · la plupart des maisons s'effondrent 48 km
  • 1 psi · les vitres volent en éclats 130 km

À ⁦53 km⁩ du point zéro

  • La chaleur provoque des brûlures du deuxième degré
  • Le souffle brise les vitres
Surpression maximale
28 kPa
Vent maximal
60 m/s
Chaleur (rayonnement thermique)
860 kJ/m²
Couche d'éjectas
1,6 cm

Coupe du cratère (échelle réelle 1:1)

Burj KhalifaD = 4,9 kmd = 640 m

Le fond d'un cratère complexe rebondit : plancher plat, parois en terrasses, pic central (forme schématique ; diamètre et profondeur issus du modèle). À l'échelle réelle, les grands cratères sont étonnamment peu profonds.

Taille à l'échelle

300 mTour Eiffel330 m

Effets selon la distance

DistanceSurpression maximaleVent maximalChaleur (rayonnement thermique)Couche d'éjectasCe qui se passe
5 km4,1 MPa1 600 m/s110 MJ/m²19 m
La chaleur enflamme les vêtements
Le souffle détruit les bâtiments en béton armé
10 km870 kPa700 m/s26 MJ/m²2,4 m
La chaleur enflamme les vêtements
Le souffle détruit les bâtiments en béton armé
20 km190 kPa280 m/s6,5 MJ/m²30 cm
La chaleur enflamme les vêtements
Le souffle détruit les bâtiments en béton armé
50 km32 kPa66 m/s980 kJ/m²1,9 cm
La chaleur provoque des brûlures du deuxième degré
Le souffle brise les vitres
100 km10 kPa22 m/s190 kJ/m²2,4 mm
Le souffle brise les vitres

Souffle : ajustement de Collins et al. (2005) sur des données d'essais de 1 kt (Glasstone & Dolan 1977), mis à l'échelle selon la racine cubique de l'énergie. Chaleur : 0,3 % de l'énergie devient rayonnement ; les seuils de brûlure et d'inflammation croissent comme E^(1/6). Éjectas : épaisseur de la couche qui retombe à cette distance.

Comment fonctionne le modèle

L'énergie cinétique de l'astéroïde vaut E = (π/12) ρ L³ v², avec ρ la masse volumique, L le diamètre et v la vitesse. Une mégatonne de TNT équivaut à 4,184 × 10¹⁵ joules.

Pendant la descente, l'air presse sur l'avant du corps avec une pression d'environ ρ_air v². Dès qu'elle dépasse la résistance du corps, celui-ci se fragmente ; le nuage de fragments s'aplatit comme une crêpe et, s'il s'étale jusqu'à sept fois sa largeur initiale avant d'atteindre le sol, toute l'énergie est libérée d'un coup en une explosion aérienne. C'est ainsi que les objets de Tcheliabinsk et de la Toungouska ont explosé sans laisser de cratère.

S'il atteint le sol, les lois d'échelle en π donnent le cratère transitoire creusé dans les premières secondes. Ses parois s'affaissent en une cuvette finale 25 % plus large (cratère simple) ou — au-delà d'environ 3,2 km — s'effondrent en un cratère complexe, large et peu profond, doté d'un pic central.

Au-delà d'environ 15 km/s, l'impact vaporise la roche en une boule de feu dont la chaleur brûle à distance. L'onde de choc suit, et le sol tremble avec une magnitude M = 0.67 log₁₀E − 5.87 (E en joules).

Les équations utilisées

  • E = (π/12) ρᵢ L³ v² Collins et al. 2005, eq. 1
  • Yᵢ = 10^(2.107 + 0.0624 √ρᵢ) Collins et al. 2005, § entry
  • z_b = z* − 2H ln[1 + (l/2H) √(f_p² − 1)], f_p = 7 Collins et al. 2005, eq. 18
  • D_tc = 1.161 (ρᵢ/ρ_t)^⅓ L^0.78 vᵢ^0.44 g^−0.22 sin^⅓θ Collins et al. 2005, eq. 21
  • D_fr = 1.25 D_tc | D_fr = 1.17 D_tc^1.13 / D_c^0.13 Collins et al. 2005, eq. 22, 27
  • R_f = 0.002 E^⅓, φ = f η E / (2π r²), η = 3×10⁻³ Collins et al. 2005, § thermal
  • p = (p_x r_x / 4r₁)(1 + 3 (r_x/r₁)^1.3), r₁ = r / E_kt^⅓ Collins et al. 2005, § air blast
  • M = 0.67 log₁₀E − 5.87 Collins et al. 2005, § seismic
  • t_e = D_tc⁴ / (112 r³) Collins et al. 2005, § ejecta

Impacts réels : le modèle face aux observations

Pour chaque impact réel, le modèle reçoit la meilleure estimation de la taille, du matériau, de la vitesse et de l'angle de l'événement. La colonne « Observé » donne ce qui a réellement été observé ou reconstitué : compare les deux pour voir jusqu'où va un modèle simple.

Événement Paramètres Modèle Observé Source
Tcheliabinsk (2013) 19 m · Roche dense · 19 km/s · 18°
465 kt de TNT
explosion aérienne à ⁦33 km⁩
440–500 kt de TNT
explosion aérienne à ⁦≈ 30 km⁩
Brown et al. 2013, Nature 503, 238; Popova et al. 2013, Science 342, 1069
Toungouska (1908) 60 m · Roche dense · 16 km/s · 35°
10,4 Mt de TNT
explosion aérienne à ⁦7,8 km⁩
3–15 Mt de TNT
explosion aérienne à ⁦5–10 km⁩
Boslough & Crawford 2008, Int. J. Impact Eng. 35, 1441
Meteor Crater
≈ 50 ka
40 m · Fer · 18 km/s · 45°
10,4 Mt de TNT
cratère de ⁦1,2 km⁩
cratère de ⁦≈ 1,2 km⁩
Melosh & Collins 2005, Nature 434, 157
Chicxulub
66 Ma
12 km · Roche dense · 20 km/s · 60°
1,3×10⁸ Mt de TNT
cratère de ⁦150 km⁩
cratère de ⁦≈ 180 km⁩
Hildebrand et al. 1991, Geology 19, 867; Collins et al. 2020, Nat. Commun. 11, 1480

Quelle confiance accorder à ces chiffres ?

  • La taille, la masse volumique, la vitesse et l'angle d'un impacteur réel sont rarement connus à mieux que quelques dizaines de pour cent près — et l'énergie croît comme le cube de la taille et le carré de la vitesse.
  • Les formules du cratère, du souffle et de la chaleur sont des ajustements à des expériences, à des données d'essais nucléaires et à des simulations : valables à un petit facteur près, pas au dernier chiffre. Pour Chicxulub, par exemple, notre modèle donne un cratère d'environ 150 km contre les quelque 180 km observés.
  • Le modèle de fragmentation « en crêpe » est volontairement simple ; des modèles plus récents donnent des altitudes d'explosion un peu différentes. La chaleur des explosions aériennes et les tsunamis ne sont pas modélisés. Les seuils de dégâts comme « 5 psi font s'effondrer la plupart des maisons » viennent d'essais d'armes nucléaires et dépendent de la façon dont les bâtiments sont construits.
  • Les corps très petits ou très lents sont freinés à quelques km/s ou moins et creusent de petites fosses ; l'équation du cratère (régime gravitaire) les surestime.

Questions

Combien d'énergie l'astéroïde qui a tué les dinosaures a-t-il libéré ?

Environ 10²³–10²⁴ joules — de l'ordre de 100 millions de mégatonnes de TNT, soit des milliards de bombes d'Hiroshima. Un corps d'environ 10 à 15 km de diamètre a frappé Chicxulub, au Mexique, il y a 66 millions d'années, à environ 20 km/s, et a laissé un cratère d'environ 180 km de large.

Pourquoi Tcheliabinsk et la Toungouska n'ont-ils pas laissé de cratère ?

Dans les deux cas, il s'agissait de corps rocheux de quelques dizaines de mètres. La pression de l'air les a broyés haut dans l'atmosphère — vers 30 km d'altitude à Tcheliabinsk, vers 5 à 10 km à la Toungouska —, si bien que leur énergie a été libérée en une explosion aérienne. Celle de la Toungouska a couché environ 2 000 km² de forêt sibérienne.

À quelle fréquence de tels impacts se produisent-ils ?

Collins et al. (2005) donnent un intervalle moyen d'environ 109 × E^0.78 ans, avec E en mégatonnes : environ tous les 60 ans pour une explosion aérienne comme celle de Tcheliabinsk (0,5 Mt), tous les 600 à 700 ans pour 10 Mt, et de l'ordre d'une fois tous les 100 millions d'années pour un impact comme celui de Chicxulub.

Que signifie « 5 psi » ?

La surpression indique de combien l'onde de choc élève la pression de l'air au-dessus de la normale (101 kPa ≈ 14,7 psi). 1 psi (6,9 kPa) brise les vitres, 5 psi (34 kPa) font s'effondrer la plupart des maisons et 20 psi (138 kPa) détruisent les bâtiments en béton armé. Ces seuils proviennent des relevés de dégâts des essais nucléaires (Glasstone & Dolan 1977).

Sources

  1. Collins, G. S., Melosh, H. J. & Marcus, R. A. (2005). Earth Impact Effects Program. Meteoritics & Planetary Science 40, 817–840.
  2. Earth Impact Effects Program (Imperial College London / Purdue University)
  3. Glasstone, S. & Dolan, P. J. (1977). The Effects of Nuclear Weapons, 3rd ed. U.S. DoD/DoE.
  4. Rumpf, C. M., Lewis, H. G. & Atkinson, P. M. (2017). Population vulnerability models for asteroid impact risk assessment. Meteoritics & Planetary Science 52, 1082–1102.
  5. Brown, P. G. et al. (2013). A 500-kiloton airburst over Chelyabinsk… Nature 503, 238–241.
  6. Popova, O. P. et al. (2013). Chelyabinsk airburst, damage assessment, meteorite recovery, and characterization. Science 342, 1069–1073.
  7. Boslough, M. B. E. & Crawford, D. A. (2008). Low-altitude airbursts and the impact threat. Int. J. Impact Engineering 35, 1441–1448.
  8. Melosh, H. J. & Collins, G. S. (2005). Meteor Crater formed by low-velocity impact. Nature 434, 157.
  9. Hildebrand, A. R. et al. (1991). Chicxulub Crater… Geology 19, 867–871.
  10. Collins, G. S. et al. (2020). A steeply-inclined trajectory for the Chicxulub impact. Nature Communications 11, 1480.

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