소행성 충돌
크기, 재질, 속도, 각도를 골라 에너지를 줄과 TNT 메가톤으로 느껴 보세요.
크기, 재질, 속도, 각도를 골라 보세요. 먼저 대기가 결과를 가릅니다. 작고 약한 천체는 하늘에서 터지고, 크거나 단단한 천체는 대기를 뚫고 내려옵니다. 그다음 에너지는 화구, 충격파, 크레이터로 바뀝니다. 모든 수치는 Earth Impact Effects Program에서 발표한 식으로 계산합니다.
작은 숫자는 밀도(kg/m³)입니다.
11 km/s가 가능한 최저 속도(지구 탈출 속도)이고, 72 km/s는 정면으로 역행해 오는 혜성의 속도입니다.
지평선을 기준으로 잰 각도로, 90°는 수직 낙하입니다. 가장 흔한 각도는 45°입니다.
실제 축척의 피해 범위
지도를 탭하거나 드래그해서(또는 슬라이더로) 원하는 거리의 영향을 확인하세요.
- 크레이터 2.4 km
- 화구 3.5 km
- 옷에 불이 붙음 28 km
- 3도 화상 42 km
- 2도 화상 54 km
- 20 psi · 콘크리트 건물 붕괴 24 km
- 5 psi · 대부분의 주택 붕괴 48 km
- 1 psi · 유리창 파손 130 km
폭심지에서 53 km 떨어진 곳
- 열로 2도 화상을 입음
- 충격파로 유리창이 깨짐
- 최대 과압
- 28 kPa
- 최대 풍속
- 60 m/s
- 열(열복사)
- 860 kJ/m²
- 분출물 층
- 1.6 cm
크레이터 단면(가로세로 같은 축척 1:1)
복합 크레이터는 바닥이 되튀어 오릅니다. 평평한 바닥, 계단 모양의 벽, 중앙봉이 생깁니다(모양은 개략도, 지름과 깊이는 모델 값). 실제 축척으로 보면 큰 크레이터는 놀랄 만큼 얕습니다.
크기 비교
거리별 영향
| 거리 | 최대 과압 | 최대 풍속 | 열(열복사) | 분출물 층 | 일어나는 일 |
|---|---|---|---|---|---|
| 5 km | 4.1 MPa | 1,600 m/s | 110 MJ/m² | 19 m | 열로 옷에 불이 붙음 충격파가 철근 콘크리트 건물을 무너뜨림 |
| 10 km | 870 kPa | 700 m/s | 26 MJ/m² | 2.4 m | 열로 옷에 불이 붙음 충격파가 철근 콘크리트 건물을 무너뜨림 |
| 20 km | 190 kPa | 280 m/s | 6.5 MJ/m² | 30 cm | 열로 옷에 불이 붙음 충격파가 철근 콘크리트 건물을 무너뜨림 |
| 50 km | 32 kPa | 66 m/s | 980 kJ/m² | 1.9 cm | 열로 2도 화상을 입음 충격파로 유리창이 깨짐 |
| 100 km | 10 kPa | 22 m/s | 190 kJ/m² | 2.4 mm | 충격파로 유리창이 깨짐 |
충격파: Collins et al. (2005)이 1 kt 시험 데이터(Glasstone & Dolan 1977)에 맞춘 식을 에너지의 세제곱근으로 환산. 열: 에너지의 0.3 %가 복사가 되며, 화상·발화 기준값은 E^(1/6)에 비례해 커짐. 분출물: 그 거리에 쌓이는 층의 두께.
모델의 원리
소행성의 운동 에너지는 E = (π/12) ρ L³ v²입니다. 여기서 ρ는 밀도, L은 지름, v는 속도입니다. TNT 1메가톤은 4.184 × 10¹⁵줄입니다.
떨어지는 동안 공기는 천체의 앞면을 약 ρ_air v²의 압력으로 누릅니다. 이 압력이 천체의 강도를 넘으면 천체는 부서지고, 파편 구름은 팬케이크처럼 납작하게 퍼집니다. 지면에 닿기 전에 원래 폭의 7배까지 퍼지면 모든 에너지가 한꺼번에 공중 폭발로 방출됩니다. 첼랴빈스크와 퉁구스카가 크레이터 없이 폭발한 것도 이 때문입니다.
지면에 닿으면 π-스케일링 법칙으로 처음 몇 초 동안 파인 일시적 크레이터를 구합니다. 그 벽이 무너져 내려 25 % 더 넓은 최종 그릇 모양(단순 크레이터)이 되거나, 지름 약 3.2 km를 넘으면 붕괴해 중앙봉이 있는 넓고 얕은 복합 크레이터가 됩니다.
약 15 km/s를 넘으면 충돌로 암석이 기화해 화구가 되고, 그 열은 먼 곳까지 태웁니다. 이어서 충격파가 덮치고, 땅은 규모 M = 0.67 log₁₀E − 5.87(E는 줄 단위)로 흔들립니다.
사용한 식
-
E = (π/12) ρᵢ L³ v²Collins 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 = 7Collins et al. 2005, eq. 18 -
D_tc = 1.161 (ρᵢ/ρ_t)^⅓ L^0.78 vᵢ^0.44 g^−0.22 sin^⅓θCollins et al. 2005, eq. 21 -
D_fr = 1.25 D_tc | D_fr = 1.17 D_tc^1.13 / D_c^0.13Collins et al. 2005, eq. 22, 27 -
R_f = 0.002 E^⅓, φ = f η E / (2π r²), η = 3×10⁻³Collins et al. 2005, § thermal -
p = (p_x r_x / 4r₁)(1 + 3 (r_x/r₁)^1.3), r₁ = r / E_kt^⅓Collins et al. 2005, § air blast -
M = 0.67 log₁₀E − 5.87Collins et al. 2005, § seismic -
t_e = D_tc⁴ / (112 r³)Collins et al. 2005, § ejecta
실제 충돌: 모델 vs 기록
각 프리셋은 그 사건의 크기, 재질, 속도, 각도에 대한 최적 추정값을 모델에 넣은 것입니다. '기록' 열은 실제로 관측되거나 재구성된 값입니다. 둘을 비교해 단순한 모델이 어디까지 맞히는지 확인해 보세요.
| 사건 | 입력값 | 모델 | 기록 | 출처 |
|---|---|---|---|---|
| 첼랴빈스크 (2013) | 19 m · 치밀한 암석 · 19 km/s · 18° | 465 kt TNT 고도 33 km에서 공중 폭발 | 440–500 kt TNT 고도 ≈ 30 km에서 공중 폭발 | Brown et al. 2013, Nature 503, 238; Popova et al. 2013, Science 342, 1069 |
| 퉁구스카 (1908) | 60 m · 치밀한 암석 · 16 km/s · 35° | 10.4 Mt TNT 고도 7.8 km에서 공중 폭발 | 3–15 Mt TNT 고도 5–10 km에서 공중 폭발 | Boslough & Crawford 2008, Int. J. Impact Eng. 35, 1441 |
| 메테오 크레이터 ≈ 50 ka | 40 m · 철 · 18 km/s · 45° | 10.4 Mt TNT 크레이터 1.2 km | 크레이터 ≈ 1.2 km | Melosh & Collins 2005, Nature 434, 157 |
| 칙술루브 66 Ma | 12 km · 치밀한 암석 · 20 km/s · 60° | 1.3×10⁸ Mt TNT 크레이터 150 km | 크레이터 ≈ 180 km | Hildebrand et al. 1991, Geology 19, 867; Collins et al. 2020, Nat. Commun. 11, 1480 |
이 수치는 얼마나 정확할까?
- 실제 충돌체의 크기, 밀도, 속도, 각도가 수십 퍼센트보다 정확하게 알려진 경우는 드뭅니다. 게다가 에너지는 크기의 세제곱, 속도의 제곱에 비례해 커집니다.
- 크레이터, 충격파, 열에 관한 식은 실험, 핵실험 데이터, 시뮬레이션에 맞춘 근사식입니다. 몇 배 이내로는 맞지만 마지막 자릿수까지 정확하지는 않습니다. 예를 들어 칙술루브 프리셋은 관측된 약 180 km에 비해 약 150 km의 크레이터를 냅니다.
- 분열의 팬케이크 모델은 일부러 단순하게 만든 것으로, 더 새로운 파쇄 모델은 폭발 고도를 다소 다르게 예측합니다. 공중 폭발의 열과 쓰나미는 모델링하지 않습니다. '5 psi면 대부분의 주택이 무너진다' 같은 피해 기준은 핵무기 실험에서 나온 것이며, 건물 구조에 따라 달라집니다.
- 아주 작거나 느린 천체는 몇 km/s 이하로 감속되어 작은 구덩이만 만듭니다. 크레이터 식(중력 지배 영역)은 이를 과대평가합니다.
자주 묻는 질문
공룡을 멸종시킨 소행성은 얼마나 많은 에너지를 방출했나요?
약 10²³–10²⁴줄로, TNT 1억 메가톤 규모이며 히로시마 원폭 수십억 개에 해당합니다. 지름 약 10–15 km의 천체가 6,600만 년 전 약 20 km/s의 속도로 멕시코 칙술루브에 충돌해 지름 약 180 km의 크레이터를 남겼습니다.
첼랴빈스크와 퉁구스카는 왜 크레이터를 남기지 않았나요?
둘 다 지름 수십 m의 암석질 천체였습니다. 대기 압력이 이들을 높은 상공에서 부숴 버렸고(첼랴빈스크는 약 30 km, 퉁구스카는 약 5–10 km 상공), 그래서 에너지가 공중 폭발로 방출되었습니다. 퉁구스카 폭발은 시베리아 숲 약 2,000 km²를 쓰러뜨렸습니다.
이런 충돌은 얼마나 자주 일어나나요?
Collins et al. (2005)은 평균 간격을 약 109 × E^0.78년(E는 메가톤 단위)으로 제시합니다. 첼랴빈스크급 공중 폭발(0.5 Mt)은 약 60년마다, 10 Mt는 600–700년마다, 칙술루브급 충돌은 약 1억 년마다 한 번꼴입니다.
'5 psi'는 무슨 뜻인가요?
과압은 충격파가 기압을 평상시(101 kPa ≈ 14.7 psi)보다 얼마나 높이는지를 나타냅니다. 1 psi(6.9 kPa)면 유리창이 깨지고, 5 psi(34 kPa)면 대부분의 주택이 무너지며, 20 psi(138 kPa)면 철근 콘크리트 건물이 파괴됩니다. 이 기준은 핵실험 피해 조사(Glasstone & Dolan 1977)에서 나왔습니다.
출처
- Collins, G. S., Melosh, H. J. & Marcus, R. A. (2005). Earth Impact Effects Program. Meteoritics & Planetary Science 40, 817–840.
- Earth Impact Effects Program (Imperial College London / Purdue University)
- Glasstone, S. & Dolan, P. J. (1977). The Effects of Nuclear Weapons, 3rd ed. U.S. DoD/DoE.
- Rumpf, C. M., Lewis, H. G. & Atkinson, P. M. (2017). Population vulnerability models for asteroid impact risk assessment. Meteoritics & Planetary Science 52, 1082–1102.
- Brown, P. G. et al. (2013). A 500-kiloton airburst over Chelyabinsk… Nature 503, 238–241.
- Popova, O. P. et al. (2013). Chelyabinsk airburst, damage assessment, meteorite recovery, and characterization. Science 342, 1069–1073.
- Boslough, M. B. E. & Crawford, D. A. (2008). Low-altitude airbursts and the impact threat. Int. J. Impact Engineering 35, 1441–1448.
- Melosh, H. J. & Collins, G. S. (2005). Meteor Crater formed by low-velocity impact. Nature 434, 157.
- Hildebrand, A. R. et al. (1991). Chicxulub Crater… Geology 19, 867–871.
- Collins, G. S. et al. (2020). A steeply-inclined trajectory for the Chicxulub impact. Nature Communications 11, 1480.
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