научная статья по теме АЭРОЗОЛЬНЫЙ ШЛЕЙФ ЧЕЛЯБИНСКОГО БОЛИДА Астрономия

Текст научной статьи на тему «АЭРОЗОЛЬНЫЙ ШЛЕЙФ ЧЕЛЯБИНСКОГО БОЛИДА»

АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2013, том 47, № 4, с. 299-303

УДК 523.44

АЭРОЗОЛЬНЫЙ ШЛЕЙФ ЧЕЛЯБИНСКОГО БОЛИДА

© 2013 г. Н. Н. Горькавый1, Т. А. Тайдакова2, Е. А. Проворникова3, 4, И. Н. Горькавый2, М. M. Ахметвалеев2

1Science Systems and Applications, Inc. (USA) 2Greenwich Institute for Science and Technology (USA) 3Институт космических исследований (ИКИ) РАН 4Boston University (USA) Поступила в редакцию 01.04.2013 г.

В данной работе болид изучается как атмосферное явление, вызвавшее значительный вброс метеоритной пыли в стратосферу. В качестве базы данных используются наземные фотографии очевидцев и снимки с японского геостационарного спутника MTSAT-2. Анализ наземных фотографий позволяет оценить высоту основной вспышки в 22.9 ± 1.6 км. Показано, что вершина облака, вызванного главным взрывом, поднялась из-за конвекции на 11 км примерно за 60—80 с, что дает оценку максимальной вертикальной скорости в 130—180 м/с. Расчеты показывают, что верхняя часть шлейфа, испытывающая сильный ветровой снос, имеет высоту >53 км и расположена в мезосфере. Данные MTSAT-2 свидетельствуют, что мезосферная часть шлейфа смещалась к югу-востоку, в то время как стратосферная часть — на северо-восток со скоростями свыше 100 км/час.

DOI: 10.7868/S0320930X13040166

ВВЕДЕНИЕ

Метеоритная пыль является типичным компонентом атмосферного аэрозоля (см., например, Hunten и др., 1980), которая начинает доминировать на высотах более 25—30 км (Neely и др., 2011). Количество метеоритной пыли, ежегодно попадающее в атмосферу, оценивается в 104 тонн (Розен, Иванов, 1991). Челябинский болид забросил в стратосферу и мезосферу примерно годовое количество метеоритной пыли, что должно резко изменить концентрацию аэрозоля на определенных широтах. Для изучения переноса метеоритной пыли в атмосфере важно знать высоты основного вброса аэрозоля.

Отметим, что данное исследование базируется на анализе движений видимого облака водяного пара и продуктов сгорания болида. Это видимое облако и распределение пылевой составляющей шлейфа болида, вообще говоря, не совпадают. Взрыв болида вызвал сверхзвуковое расширение раскаленного газо-пылевого облака и разброс мелких обломков и пылинок. Давление расширяющегося газа отвечало за появление перпендикулярной составляющей к первоначальному вектору баллистического движения болида. Через доли секунд расширение облака замедлилось и стало дозвуковым, а когда давление в облаке и атмосфере сравнялось, то остановилось, но каменные обломки продолжили движение — так же, как это делают пули, получившие скорость благодаря расшире-

нию пороховых газов. В результате возникли различные семейства разлетающихся частиц и обломков: самые крупные (такие как метеорит, упавший в озеро Чебаркуль) полетели далее по баллистической траектории, близкой к первоначальной; часть более мелких обломков изменила вектор движения и разлетелась на многие километры в разных направлениях от точки взрыва. Самые же мелкие частички и пылинки быстро затормозились в атмосфере, были унесены сильным стратосферным ветром и стали компонентой атмосферного аэрозоля. На землю в зоне взрыва осела только крупная пыль, которая смогла попасть в самые нижние слои атмосферы, где ветер был слабее.

Кроме симметричного относительно оси движения болида расширения раскаленного газа, важными факторами эволюции шлейфа являются вертикальная тепловая конвекция и горизонтальный ветровой перенос.

Рассмотрим высоту аэрозольного шлейфа Челябинского болида, а также изменения его расположения в течение первых минут и часов после взрыва.

Наш анализ будет базироваться на семи высококачественных фотографиях болида, сделанных в течение первых трех минут после взрыва (рис. 1 и таблица), а также на фотографиях японского спутника МТ8АТ-2. Данные наземных фотографий позволяют воссоздать картину быстрых изменений в газо-пылевом шлейфе, связанных со взрывным расширением раскаленного облака и

300

ГОРЬКАВЫЙ и др.

вспышки: 22.9 ±1.6 км для координат 54.90° N 61.11° Е. Для этой географической точки невязки решений для шести снимков минимальны. Ошибка в определении координат точки взрыва составляет примерно 0.1° по долготе и 0.05° по широте. Полученное значение хорошо соответствует данным МА8А для высоты взрыва в 23.3 км и координат 54.8° N. 61.1° Е (Уошаш, 2013). С координатами основной вспышки, вычисленными ВогоУска и др. (2013): 54.836° N. 61.455° Е, наше решение согласуется хуже, оно также значительно отличается от высоты, приведенной в телеграмме: 31.73 км.

Фотографии 1 и 2 сделаны одним из авторов данной статьи (М. А.). Размер матрицы: 5120 х х 3413 пиксела или 35.8 х 23.9 мм. Фокусное расстояние при сьемке 35 и 27 мм соответственно.

Фото 3 получено К. Кудиновым с южного направления (в отличие от остальных снимков, сделанных с северного направления). Размер матрицы: 2592 х 1944 пиксела или 2.97 х 2.23 мм. Фокусное расстояние 3.5 мм.

Фото 4, 5 сделаны А. Алишевских. Размер матрицы: 5184 х 3456 пикселов или 22.3 х 14.9 мм. Фокусное расстояние — 15 и 32 мм соответственно.

Автор фотографий 6 и 7 — М. Коржов. Размер матрицы: 3872 х 2592 пиксела или 21.5 х 14.4 мм. Фокусное расстояние 35 мм.

Рис. 1. Фрагменты фотографий 2, 3, 4 (сверху вниз). Время 10, 18 и 55 с после взрыва. Фото 3 зеркально отражено вокруг вертикальной оси — для удобства восприятия.

его конвективным подъемом. Фотографии с геостационарного спутника МТ8ЛТ-2 позволяют оценить скорость и направление ветрового сноса образовавшегося шлейфа.

ВЫСОТА ОСНОВНОЙ ВСПЫШКИ

Обработка шести фотографий 2—7 (см. таблицу) дает среднее значение высоты взрыва или главной

СКОРОСТЬ КОНВЕКЦИИ

Оценим максимальную скорость конвекции в облаке, образовавшемся на месте основного взрыва. Для этого вычислим разницу между высотой вершины облака и высотой точки вспышки (см. таблицу). На рис. 2 нанесены значения высоты смещения облака как функции от времени.

Отметим, что одним из главных источников ошибок определения высоты вспышки является неточное определение горизонта на снимке. Высота относительного смещения на рис. 2 не зависит от ошибки определения горизонта, так как она одинаковым образом влияет на определение

Использованные фотографии и полученные данные

Фото Время после взрыва, с Широта точки сьемки, град (^ Долгота точки сьемки, град (Е) Расстояние до проекции точки взрыва, км Высота взрыва, км Высота главного облака, км

1 0 55.170 61.317 32.8 - -

2 10 55.170 61.317 32.8 24.9 26.1

3 18 54.034 61.622 101.8 22.8 25.1

4 55 56.694 61.262 199.8 23.3 33.7

5 76 56.694 61.262 199.8 24.1 35.4

6 206 56.755 60.607 208.6 21.1 32.3

7 213 56.755 60.607 208.6 23.7 34.5

АЭРОЗОЛЬНЫЙ ШЛЕЙФ ЧЕЛЯБИНСКОГО БОЛИДА

301

Рис. 2. Смещение вершины облака относительно точки главной вспышки.

и высоты взрыва, и высоты облака. Рисунок 2 показывает, что скорость вертикальной конвекции достигала 130—180 м/с в течение первых 100 с, после чего верхняя точка облака практически остановилась — или продолжала двигаться гораздо медленнее, со скоростью менее 10 м/с. Отметим, что первые 10 с (см. рис. 1) расширение следа

было практически осесимметричным и только к 20-й секунде стал заметен вертикальный подъем облака главного взрыва. Полученные скорости вертикального смещения являются типичными для конвективных скоростей раскаленных ядерных облаков сразу после взрыва.

Сравнение с ядерным взрывом вполне уместно, так как объем облака, образовавшегося при главной вспышке, близок к тысяче кубических километров и нагрев такой массы газа на десятки градусов (при росте стратосферной высоты на 12—13 км температура атмосферы увеличивается на 20°С) соответствует энергиям, сравнимым со взрывом ядерной бомбы.

ВЫСОТА МЕЗОСФЕРНОЙ ЧАСТИ ШЛЕЙФА

На трех фотографиях (1, 4, 5) хорошо заметен зигзаг в самом начале следа (на рис. 3 приведены соответствующие фрагменты фото 1 и 4). По этим фотографиям мы оценили высоту этой части шлейфа в 53 км для координат 54.75° N 62.55° Е. Таким образом, верхняя часть шлейфа болида расположена в мезосфере. Зигзаг шлейфа означа-

Рис. 3. Фрагменты фотографий 1 (а) и 4 (б) с частью шлейфа, испытывающего сильный ветровой снос в мезосфере, отличный от стратосферного смещения остальной части следа.

302

ГОРЬКАВЫЙ и др.

Рис. 4. Фотографии шлейфа Челябинского болида, сделанные геостационарным спутником МТ8ЛТ-2. (а) — 12 мин после взрыва; (б) — 41 мин; (в) — 72 мин; (г) — 101 мин.

ет, что направление и скорость мезосферного ветра значительно отличаются от направления и скорости ветров в стратосфере, где лежит основная часть следа болида. Согласно полученным высотам и координатам для точки главного взрыва и началом мезосферного зизага, расстояние между ними составляет 95 км. Если принять для скорости болида значение 18.6 км/с, приведенное NАSА (Уошаш, 2013), то получим, что это расстояние болид преодолел за 5.1 с. Следовательно, фотография в верхней части рис. 3, сделанная в момент основной вспышки, показывает ветровой снос мезосферной части шлейфа, который произошел в течение всего 5 с. С учетом значительного расстояния в 100 км от наблюдателя до изгиба, скорость этого сноса очень высока.

Определение координат двух точек траектории болида позволяет оценить угол проекции траектории к параллели в 10° при движении на северо-запад. Это важная оценка, которая поможет нам в интерпретации космических снимков японского спутника MTSAT-2.

СКОРОСТЬ ВЕТРОВОГО ПЕРЕНОСА

Несколько фотографий шлейфа Челябинского болида были сделаны геостационарным спутником MTSAT-2 (MTSAT, 2013) с 30-минутным интервалом. Мы использовали подборку фотогра-

фий MTSAT-2 с сайта Висконсинского университета (CIMSS, 2013). На рис. 4 приведены четыре снимка после компьютерной обработки и вычитания кадра, сделанного до взрыва, что увеличило контраст шлейфа. Фотографии сделаны через 12, 41, 72 и 101 мин после вспышки.

Спутник MTSAT-2 смотрит вслед болиду с небольшим (~3°) наклоном луча зрения к направлению движения тела (в проекции на землю). Для японского спутника Челябинск находится за горизонтом. Принимая для долготы спутника MTSAT-2 значение в 145°, получим, что над горизонтом видна только

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком