АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2007, том 41, № 1, с. 61-69
УДК 622.011.4:622.023
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ПОДВОДНОЙ УДАРНОЙ СТРУКТУРЫ ЭЛТАНИН
© 2007 г. В. В. Шувалов, И. А. Трубецкая
Институт динамики геосфер РАН, Москва Поступила в редакцию 23.03.2006 г.
Описываются двумерные и трехмерные численные эксперименты, моделирующие образование подводной ударной структуры кратера Элтанин. Полученные результаты позволяют оценить размер ударника, описать его разрушение и последующее движение фрагментов, определить начальную амплитуду волны цунами.
PACS : 96.12.ke, 91.55.Ax
ВВЕДЕНИЕ
Большая часть космических тел, сталкивающихся с Землей, падает в моря и океаны, покрывающие более двух третей земной поверхности. Однако среди более чем 150 обнаруженных на Земле кратеров лишь 15-20, найденных сравнительно недавно, были образованы при ударе в море (Ormö, Lindström, 2000). Причина дефицита подводных кратеров связана с относительной "молодостью" типичного морского дна (его возраст не превышает 180-200 млн. лет (Muller и др., 1997), его меньшей исследованностью и особенностями кратерообразования при ударе в воду.
Имеющиеся экспериментальные и теоретические результаты показывают, что процесс кратерообразования в большой степени определяется параметром d/H, где d - диаметр ударника, а H -глубина моря. При d/H < 0.1 подводный кратер не образуется совсем (Gault, Sonett, 1982; Artemieva, Shuvalov, 2002). При 0.1 < d/H < 1 наличие слоя воды существенно влияет на процесс кратерообразования, размеры и морфологию образующегося в этом случае кратера (Shuvalov, 2002). И, наконец, при d > H слой воды почти не влияет на кра-терообразующее течение (Shuvalov, 2002). Однако даже в этом случае структура и морфология возникающего кратера могут заметно отличаться от структуры и морфологии аналогичного кратера, образованного на континенте.
Почти все известные подводные кратеры образованы в "мелком море", глубина которого сравнима с размером ударника. Подводная структура кратера Элтанин (Gersonde и др., 1997) является единственной известной в настоящее время ударной структурой, образованной после падения космического тела в глубоководный (4-5 км) район океана. Доказательством ударного происхождения этой структуры послужило обнаружение в 1981 г. (Kyte и др., 1981) иридиевой аномалии в
донных отложениях. Последующие исследования показали присутствие метеорного вещества в образцах осадочных пород, собранных в трех местах, расположенных на расстоянии 500 км друг от друга. Максимальная концентрация иридия была обнаружена в пористых образцах, образовавшихся из расплава ударника. Найдены также нерасплавленные куски ударника (базальтовый ахондрит) размером до 2 см. Были обнаружены следы сильной эрозии осадочных пород, в момент удара покрывавших кристаллическое основание слоем толщиной в несколько десятков метров, и вторичного осаждения эродированной массы ^ег-sonde и др., 1997). Согласно оценкам ^е^оМе, Kyte, 2001) ударная структура кратера Элтанин была образована в результате падения 2.2 млн. лет назад астероида диаметром от 1 до 4 км (с энергией 105-107 Мт тротилового эквивалента). Нижняя оценка получена интегрированием массы метеоритного вещества по площади его распространения в предположении, что значительная его масса (порядка половины) улетела на большие расстояния ^е^оМе и др., 1997). Верхняя оценка получена из достаточно грубого анализа торможения ударника в воде, которое должно было предотвратить образование донного кратера. Падая на твердую поверхность, такой астероид образовал бы кратер диаметром 20-40 км, огромное количество (сотни кубических километров) грунта, пыли и летучих было бы выброшено на разные расстояния от кратера, в том числе в верхнюю атмосферу. Даже при падении астероида диаметром 1.6 км в море глубиной 400 м образовался кратер Мьолнир диаметром около 40 км (Shuvalov и др., 2002). В случае кратера Элтанин никаких следов самого подводного кратера (в смысле углубления в земной коре) и следов ударного расплава вещества океанического дна не обнаружено ^егеоМе и др., 1997). Однако такой удар должен привести к возникновению сильной
Результаты расчетов ударов
D, км U, км/с а, град D10, км D50, км D100, км Pmax, ГПа Fmax, км/с
0.25 15 45 30 15 0 0.2 0.09
0.5 15 45 50 30 20 1.0 0.3
0.5 20 45 70 30 20 1.7 0.4
1 15 45 110 45 30 5.1 1.0
1 20 45 120 50 35 8.2 1.3
1 15 90 120 50 35 14 2.0
1 15 30 110 45 30 4.9 0.9
1.5 20 45 130 55 40 36 2.8
1.5 15 90 130 55 40 46 4.4
2 20 45 140 60 50 85 4.4
2 15 90 140 60 50 85 5.0
2 20 90 160 70 60 130 5.5
Примечание. О - диаметр ударника; и - скорость ударника; а - угол наклона траектории; - размер области, где максимальная скорость воды превышает 10 м/с; -50 - размер области, где максимальная скорость воды превышает 50 м/с; -О^о -размер области, где максимальная скорость воды превышает 100 м/с; Ртах - максимальное давление за фронтом ударной волны в твердой мишени; Утах - максимальная скорость водяного потока вблизи дна.
волны цунами и выбросу большого количества воды в атмосферу.
Целью данной работы является создание физико-математической модели и численное моделирование удара, образовавшего подводную структуру кратера Элтанин, оценка размера ударника, расчет разрушения ударника и движения образовавшихся фрагментов, определение начальной амплитуды волны цунами.
МЕТОДИКА РАСЧЕТА
Для моделирования всех стадий удара (внедрение ударника в воду, распространение ударной волны в воде и грунте, образование промежуточного водяного кратера, его схлопывание и генерация волны цунами) использовались двумерная и трехмерная версии многообластной гидродинамической программы СОВА (Shuvalov, 1999). Ее использование для расчета падения астероидов в море подробно описано в работе (Шувалов, Трубецкая, 2002). Главной особенностью программы является явное выделение границ между областями, занятыми разными веществами или веществами в разных агрегатных состояниях (например, грунт, вода, воздух, пар и т.д.). Для расчета термодинамических параметров воздуха, воды и грунта используются табличное уравнение состояния воздуха (Кузнецов, 1965), уравнение состояния Тиллотсона (Tillotson, 1962) и таблицы, получаемые с помощью программы ANEOS (Thompson, Lauson, 1972).
В двумерных (осесимметричных) расчетах использовались достаточно подробные разностные сетки размером до 1000 х 1000 ячеек, в трехмерных расчетах пространственное разрешение бы-
ло меньше: 240 х 120 х 180 ячеек в направлениях X (горизонтальная ось в направлении удара), У (горизонтальная ось, перпендикулярная траектории) и 2 (вертикальная ось) соответственно. Так как течение симметрично относительно плоскости Х02, рассматривалось только полупространство У > 0.
Около миллиона пассивных маркеров использовались для определения максимальных давлений, испытываемых в процессе удара отдельными лагранжевыми частицами ударника и мишени.
ОЦЕНКА РАЗМЕРА УДАРНИКА
Максимально возможный размер ударника определяется из условия ^е^оМе и др., 1997), что при ударе не образуется четко различимый донный кратер, и что ударная волна недостаточно сильна, чтобы вызвать плавление донного грунта (поскольку ни кратер, ни расплав на дне не обнаружены). Минимальный размер кратера в ^егеоМе и др., 1997) определялся по оценкам поверхностной плотности метеоритного вещества на дне океана (они были получены экспериментально в избранных точках структуры) и оценкам полного размера структуры. Обе эти оценки (полученные по выборочным данным) нельзя признать достаточно точными. Для их проверки и уточнения необходимы другие, независимые оценки.
Одним из определяющих свойств подводной структуры кратера Элтанин является сильная эрозия морского дна в момент удара. В работе ^егеоМе и др., 1997) приводятся данные о перемещении метровых глыб осадочных пород в момент удара. Простые оценки, основанные на приравнивании веса такой глыбы силе сопротивле-
ния при движении в водном потоке, показывают, что скорость эродирующего потока (сдвигающего метровые глыбы) должна быть не менее 10 м/с в области с характерным размером в несколько десятков километров.
Основываясь на приведенных выше рассуждениях, мы провели серию расчетов ударов для разных размеров ударника (от 0.25 км до 2 км) и разных углов (30°, 45°, 60° и 90° к горизонту) наклона траектории. В каждом из расчетов определялась масса расплавленного вещества мишени (или констатировалось его отсутствие, если ударная волна была недостаточно сильной) и вычислялось распределение максимальной скорости потока по поверхности дна океана. Глубина океана принималась равной 4.5 км, это средняя глубина в районе удара согласно ^егео^е и др., 1997), скорость ударника - 15 и 20 км/с. Вещество, из которого состоит сферический ударник, - дунит с плотностью 3.3 г/см3, вещество твердой мишени (дна океана) - базальт с плотностью 2.86 г/см3.
Ударный расплав образуется в процессе распространения по мишени ударной волны при достижении за ее фронтом давления выше некоторой критической величины Рсг. Значения Рсг определены в лабораторных условиях для небольшого количества наиболее типичных пород. Эти величины заметно меняются из-за неоднородности реальных сред, наличия воды и т.д. В данных конкретных расчетах мы использовали значение Рсг = 50 ГПа, типичное для таких пород, как гранит, кальцит, влажный базальт (Pieгazzo, Ме^И, 1999; Pieгazzo и др., 2005), хотя следует иметь в виду, что для водонасыщенных донных осадков значение Рсг может быть ниже.
Результаты проведенных расчетов представлены в таблице и на рис. 1. При ударе астероида диаметром 0.25 км, со скоростью 20 км/с, под углом 45° возникает промежуточный водяной кратер с максимальной глубиной около 2 км, что вдвое меньше глубины океана. Максимальное давление в твердом дне океана при распространении в нем ударной волны не превышает 0.2 ГПа, что намного ниже давления, необходимого для начала плавления. Максимальная скорость потока воды достигает 90 м/с, в области с характерным размером порядка 30 км скорость воды вблизи дна превышает 10 м/с (в этой области водяной поток способен перемещать каменные г
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.