АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2007, том 41, № 3, с. 241-251
УДК 523.682
ГИГАНТСКИЕ БОЛИДЫ В АТМОСФЕРЕ ЗЕМЛИ
© 2007 г. В. В. Шувалов, И. А. Трубецкая
Институт динамики геосфер РАН, Москва Поступила в редакцию 06.06.2006 г.
Рассматриваются падения космических тел (каменных и кометоподобных), которые, "сгорая" (точнее, полностью испаряясь) в атмосфере, не образуют кратеров, но вызывают пожары и разрушения на поверхности Земли. С помощью численного моделирования определяются высоты фрагментации, полного испарения и торможения каменных и кометоподобных метеороидов при различных их размерах, начальных скоростях, углах наклона траектории. Рассматриваются возможные последствия таких падений. Оцениваются возможные параметры Тунгусского космического тела.
PACS: 96.12.ke, 96.30.Za
ВВЕДЕНИЕ
Падения на Землю космических тел разного размера играли и продолжают играть значительную роль в эволюции нашей планеты. Удары комет и астероидов размером порядка километра и более приводят к образованию кратеров, перемещению больших масс вещества земной коры (Ме-лош, 1994), могут вызывать глобальные изменения климата и массовые вымирания биоты (Toon и др., 1994). Многочисленные следы кратерооб-разующих ударов, их катастрофические последствия, механизмы кратерообразования на Земле и других планетах изучают геологи, механики, физики, биологи и т.д. Однако такие явления происходят сравнительно редко, километровые тела падают раз в 600000 лет (Иванов, 2005).
С другой стороны, небольшие метеороиды размером от долей миллиметра до нескольких метров наблюдаются постоянно (метеорные явления). Падение таких тел вызывает световую вспышку в небе (метеор), иногда выпадение метеоритов, образование небольших кратеров или даже кратерных полей (Бронштэн, 1981). Изучением этих явлений занимается метеорная физика. Падения метровых (и меньших) метеороидов не производят сколь-нибудь заметных эффектов на поверхности Земли и не оставляют следов в геологической истории планеты.
Существует промежуточный и сравнительно слабо изученный класс явлений, связанных со "сгоранием" (точнее, полным испарением) в атмосфере относительно больших (порядка 100 м) космических тел (Wasson, Boslough, 2000). Будем называть такие явления гигантскими болидами (ГБ). Отличие ГБ от кратерообразующих ударов состоит в том, что вся энергия метеороида выделяется в атмосфере (а не в грунте), и сколь-нибудь заметный кратер не образуется. Отличие от метеорных явлений состоит в том, что ГБ сильно
воздействуют на поверхность Земли. Излучение, испускаемое "огненным шаром", может приводить к пожарам (Svetsov, 2002) и даже вызывать плавление поверхностного слоя грунта (Wasson, 2003); ударная волна от "воздушного взрыва" может привести к массовым разрушениям. Примером гигантского болида может служить знаменитая Тунгусская катастрофа (Васильев, 2004). В работе (Wasson, Boslough, 2000) высказывалось предположение, что ГБ со значительно большей выделенной энергией возникают при входе в атмосферу относительно малоплотных (кометного происхождения) метеороидов под небольшими углами (к горизонту), однако детально этот вопрос не изучен.
О том, что большие (десятки метров и более) тела, в том числе и каменные, могут полностью испаряться при прохождении сквозь атмосферу, впервые говорилось в работе (Chyba и др., 1993) применительно к Тунгусскому явлению и чуть позже в работе (Стулов, 1994). Физическое объяснение этого процесса (испарение мелких фрагментов в облаке огненного шара) приведено в работе (Светцов, 1996), более подробные расчеты применительно к Тунгусской катастрофе описаны в работе (Shuvalov, Artemieva, 2002).
Недостаточная изученность ГБ связана с тем, что происходят они значительно реже, чем метеорные явления, не чаще, чем раз в сто лет (Shoemaker, 1983). Время между ударами больше человеческой жизни. С другой стороны, после ГБ не остаются такие хорошо заметные и долгожи-вущие структуры, как кратеры. В работе (Wasson, 2003), однако, высказывалось предположение, что ГБ могли быть причиной образования слоистых тектитов (Fiske и др., 1999) и ливийских стекол (Harding King, 1912), т.е. могли оставить свой след и в геологической истории Земли. Кроме того, в работе Немчинова и др. (2005) отмеча-
лось, что удары тел размером порядка 100 м, которые и ответственны за ГБ, являются наиболее опасными для человеческой цивилизации. Они могут вызвать региональные катастрофы и глобальное нарушение телекоммуникационных систем, и происходят достаточно часто, т.е. в исторически значимое время.
Целью данной работы является исследование гигантских болидов методами численного моделирования. Во втором разделе кратко излагается методика расчета. В третьем описываются последовательно все стадии ГБ: разрушение метеорои-да, испарение фрагментов, выделение энергии в атмосфере, торможение высокоскоростной газовой струи, всплывание "продуктов взрыва". В четвертом разделе исследуется зависимость высоты энерговыделения от угла наклона траектории, скорости и размера тела, его состава. В пятом разделе полученные результаты расчетов используются для оценки параметров Тунгусского метеороида. В заключении приведены некоторые выводы работы.
МЕТОДИКА РАСЧЕТОВ
Для численного моделирования взаимодействия метеороидов с атмосферой Земли использовалась методика, описанная в работе (Shuvalov, Artemieva, 2002). В рамках этой методики падающее тело считается квазижидким (с нулевой прочностью), и его деформация под действием аэродинамических нагрузок описывается с помощью гидродинамических уравнений (уравнений Эйлера). Такое приближение плодотворно использовалось при моделировании разрушения кометы Шумейкеров-Леви 9 в атмосфере Юпитера (Boslough и др., 1994; Mac Low, Zahnle, 1994 и т.д.), оно хорошо работает в случае достаточно больших тел, которые разрушаются раньше, чем заметно деформируются (Svetsov и др., 1995). Для численного интегрирования уравнений Эйлера используется многообластная гидродинамическая программа СОВА (Shuvalov, 1999; Shuvalov и др., 1999), которая позволяет вводить границы между областями с различными уравнениями состояния (т.е. между воздухом, парами и конденсированным веществом метеороида).
Для расчета переноса излучения в парах метеороида и в воздухе используется приближение лучистой теплопроводности. Росселандовы пробеги излучения для воздуха при типичных температурах за фронтом головной ударной волны (1-5 эВ) на высотах ниже 30-40 км не превышают 1 м (Авилова и др., 1970), поэтому для тел размером порядка 100 м использование приближения лучистой теплопроводности оправдано.
Излучение, падающее на границу конденсированного вещества, вызывает его испарение. По-
ток паров с единицы поверхности конденсированного вещества Ьш определяется соотношением:
где q - поток излучения, At - шаг по времени, Q -теплота испарения. Давление поступающих паров считается равным давлению газа вблизи поверхности. Температура и плотность паров определяются из кривой фазового равновесия. Более подробно численная модель описана в работе (Shuvalov, Artemieva, 2002).
В расчетах использовались таблицы уравнений состояния и пробегов излучения воздуха (Кузнецов, 1965; Авилова и др., 1970), кометного вещества (Косарев и др., 1996) и Н-хондрита (Косарев, 1999).
Рассматривалась двумерная осесимметричная задача (ось z вдоль траектории, r - расстояние в перпендикулярном траектории направлении). Наклон траектории а учитывался увеличением характеристической высоты атмосферы в 1/sina раз. Расчетная сетка состояла из 200 х 600 ячеек в направлениях r и z. В центральной области (70 х 100 ячеек) вокруг метеороида пространственное разрешение было 20 ячеек на начальный радиус метеороида, вне этой области шаг увеличивался по геометрической прогрессии с тем, чтобы описать метеорный след (длиной порядка 100 км), боковое растекание метеороида и следа. Расчетная сетка двигалась вниз по оси z с тем, чтобы падающее тело постоянно находилось в области с высоким пространственным разрешением.
РАЗРУШЕНИЕ МЕТЕОРОИДА И ВЫДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ В АТМОСФЕРЕ
На рис. 1 показаны последовательные стадии взаимодействия с атмосферой каменного астероида диаметром 60 м, падающего на Землю со скоростью 20 км/с под углом 45° (вариант 13). Плотность астероида принималась равной 3.5 г/см3, для описания его термодинамических свойств использовалось уравнение состояния Н-хондрита (Косарев, 1999). На высоте около 30 км метеороид начинает деформироваться, на его поверхности возникают волнообразные возмущения из-за развития не-устойчивостей Рэлея-Тейлора и Кельвина-Гельм-гольца. Испарение приводит к тому, что центральная часть следа заполнена парами.
Увеличение аэродинамических нагрузок вызывает расплющивание метеороида, на высоте 20 км он превращается в блинообразную структуру в соответствии с классическими аналитическими моделями (Григорян, 1979; Chyba и др., 1993). Дальнейшее развитие неустойчивостей вызывает фрагментацию метеороида, который на высотах ниже 17 км превращается в струю, состоящую из
42.6-
ГИГАНТСКИЕ БОЛИДЫ В АТМОСФЕРЕ ЗЕМЛИ Н = 30 км Н = 20 км
28.6-
28.4-
-0.2 -0.1 0 0.1 0.2 -0.2 -01 0 0.1 0.2
Н = 16 км
12.5
12.0
11.5
Н = 8 км
20
Н = 2 км
10-
-1-1-1- I I
-5 -4 -3 -2 -1 0 Логарифм плотности [г/см3]
Рис. 1. Разрушение каменного метеороида диаметром 60 м, падающего со скоростью 20 км/с под углом 45°
3
(вариант 13). Показаны распределения плотности (десятичный логарифм плотности, выраженной в г/см3) на разных высотах Н. На вертикальной оси указано расстояние вдоль траектории, а на горизонтальной - расстояния в направлении, перпендикулярном траектории. Черная линия - граница между парами метеороида и воздухом.
паров нагретого в головной ударной волне воздуха и фрагментов падающего тела. Скорость этой струи сначала мало отличается от начальной скорости метеороида 20 км/с (рис. 2). Таким образом, разрушение и фрагментация падающего тела происходят раньше, чем оно начинает заметно тормозиться. При определении скорости рассматривалось движение светящейся области (метеора), которая в свою очередь определялась как область с температурой выше 0.5 эВ (т
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.