АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2013, том 47, № 4, с. 284-291
УДК 52-424
ОЦЕНКА РАЗМЕРА ЗОНЫ РАЗРУШЕНИЙ, ПРОИЗВОДИМЫХ НА ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ УДАРАМИ АСТЕРОИДОВ РАЗМЕРОМ 10-300 МЕТРОВ © 2013 г. В. В. Шувалов, В. В. Светцов, И. А. Трубецкая
Институт динамики геосфер РАН, Москва; Московский физико-технический институт
Приведены результаты расчетов вертикального падения на Землю каменных астероидов размером от 10 до 300 метров. Показано, что наиболее эффективными с точки зрения разрушения являются тела размером около 50 метров. Они же являются наиболее опасными, дают максимальное произведение площади разрушенной области на вероятность падения.
DOI: 10.7868/S0320930X13040233
ВВЕДЕНИЕ
Удары космических тел по Земле вызывают эффекты (поражающие факторы), которые могут сразу после удара или впоследствии оказать вредное или губительное воздействие на человека, животных и растения, а также на хозяйственные объекты. При ударах тел диаметром до 300 м (с кинетической энергией менее 100 Мт) основными поражающими факторами являются ударная волна, сейсмические волны (землетрясение), световое излучение (пожары) и цунами (Toon и др., 1997). При ударах космических тел размером от десяти до нескольких десятков метров при типичных параметрах этих тел основным поражающим фактором остается лишь ударная волна, а роль остальных эффектов становится незначительной. Ярким примером воздействия ударной волны является падение обыкновенного хондрита размером менее 20—30 м, которое произошло 15 февраля 2013 года в окрестностях Челябинска. Число людей, пострадавших от такого воздействия, превысило 1500, и был нанесен значительный материальный ущерб. В действительности при падении космического тела на Землю возникает не одна, а несколько взаимодействующих с поверхностью Земли и между собой ударных волн. Количество этих волн и их интенсивность зависят в основном от размера, скорости, угла наклона траектории и плотности падающего тела.
Предыдущие теоретические исследования падений космических объектов разных размеров (Шувалов, Трубецкая, 2005; Shuvalov, Trubetskaya, 2008) показывают, что при падении космического тела на Землю реализуется один из четырех сценариев (в порядке уменьшения размеров тела):
— кратерообразующий удар (когда космическое тело, быть может даже сильно раздробленное, достигает поверхности Земли и образует кратер);
— поверхностный гигантский болид (ГБ) или, другими словами, поверхностный "метеорный взрыв" (когда высокоскоростная струя, состоящая из мелких фрагментов и паров метеороида и нагретого в ударной волне воздуха, ударяет по поверхности Земли, не образуя кратера);
— воздушный ГБ или воздушный "метеорный взрыв" (когда продукты полностью разрушенного и испаренного метеороида тормозятся в атмосфере и не достигают поверхности Земли, но ударная волна и тепловое излучение производят заметные разрушения и пожары);
— обыкновенные метеорные явления (которые могут наблюдаться с Земли и из космоса, но не оставляют заметных следов на поверхности Земли).
Конечно, между этими режимами нет резких границ и возможны промежуточные сценарии.
Типичным примером воздушного метеорного взрыва является хорошо известная Тунгусская катастрофа (см. Х&зПуеу, 1998), которая была вызвана падением космического тела с энергией от десяти до нескольких десятков мегатонн (см., например, Светцов, Шувалов, 2005). В этом случае наблюдаются всего две ударные волны: так называемая "взрывная волна", падающая на землю, и отраженная ударная волна. Более сложное течение реализуется при поверхностных метеорных взрывах и, особенно, при кратерообразующих ударах. В последнем случае ударные волны генерируются при пролете космического тела через атмосферу, при выбросе вещества из кратера и при последующем падении выбросов под действием силы тяжести.
Целью данной работы является оценка силы воздействия ударных волн, возникающих при падении каменных астероидов размером от 10 до 300 м. Этот диапазон размеров представляет особый интерес с точки зрения астероидной опасности. Во-первых, такие тела падают на Землю относительно часто, в среднем раз в 10—100000 лет (Иванов, 2005); во-вторых, небольшие тела трудно обнаружить заранее, задолго до падения; в-третьих, как будет показано далее, тела размером до 100 м "наиболее эффективны" с точки зрения вызываемых на поверхности Земли разрушений.
Для решения поставленной задачи мы провели численное моделирование ударов каменных астероидов в указанном диапазоне размеров для типичной скорости падения и рассчитали временные зависимости давления и скорости воздуха у поверхности Земли на разных расстояниях от места падения космического тела.
МЕТОД РАСЧЕТА
Численное моделирование ударов сопряжено с определенными сложностями, в первую очередь потому, что в рассматриваемом диапазоне размеров ударников наблюдаются все четыре возможных сценария удара: кратерообразующие удары, поверхностные и воздушные "метеорные взрывы" и обычные метеорные явления. Поэтому при численном моделировании необходимо рассматривать все стадии удара: пролет через атмосферу, образование кратера, взаимодействие выбросов из кратера с атмосферой.
Для решения поставленной задачи была разработана двухступенчатая модель. На первом этапе моделировалось движение метеороида в атмосфере с учетом его деформации, торможения, разрушения и испарения. Для этого использовались модель, уравнения и численная схема, описанные в работах (8Ииуа1оу, АЛетеуа, 2002; Шувалов, Трубецкая, 2007). Задача решалась в системе координат, связанной с падающим телом, которое обдувалось воздухом. Плотность воздуха в набегающем потоке изменялась в соответствии со стратификацией атмосферы, а скорость потока была равна скорости тела. При торможении тела скорость набегающего потока соответственно уменьшалась. Расчеты заканчивались, когда метеороид разрушался и тормозился (его скорость в системе координат, связанной с Землей, падала в 5 раз) или достигал поверхности Земли. Полученные распределения газодинамических и термодинамических параметров использовались в качестве начальных данных для второго этапа расчетов, на котором в системе координат, связанной с поверхностью Земли, моделировалось либо взаимодействие разрушенного метеороида с атмосферой, либо образование кратера и взаимодействие продуктов выброса с атмосферой. Обе модели ре-
ализовывались с помощью численного метода SOVA (Shuvalov, 1999).
В расчетах использовались таблицы уравнений состояния и пробегов излучения воздуха (Кузнецов, 1965; Авилова и др., 1970), Н-хондрита (Косарев, 1999) и таблицы, полученные с помощью программы уравнения состояния ANEOS (Thomson, Lauson, 1972) c начальными данными (Pieraz-zo и др., 1997) для гранита.
Мы рассматривали вертикальные удары астероидов сферической формы с плотностью 2.65 г/см3, скорость входа в атмосферу составляла 18 км/с.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Во время падения космического тела в атмосфере оно разрушается и распадается на отдельные фрагменты, которые испаряются под действием излучения воздуха, нагретого в ударной волне. Совокупность фрагментов под действием давления за фронтом ударной волны увеличивает свою площадь поперечного сечения, что в конечном итоге приводит к быстрому торможению и выделению энергии в атмосфере. Отметим, что чем крупнее космическое тело, тем дольше его стадия полета, тем глубже оно проникает в атмосферу, дробится на более мелкие осколки, образует огненный шар большего размера и с большей вероятностью полностью испаряется. Тела размером порядка 10 м, как правило, начинают разрушаться на высотах 40—50 км и тормозятся на высотах 20—30 км (Попова, Немчинов, 2005). При этом часть фрагментов может сохраниться и выпасть на поверхность Земли, как это произошло в случае падения метеороида 15 февраля 2013 г.
На рис. 1 показаны результаты численного моделирования падения астероида диаметром 40 м. По нашей классификации — это типичный воздушный "метеорный взрыв". Метеороид разрушается на высоте около 15 км, на высоте 10 км его вещество полностью испаряется и образуется высокоскоростная газовая струя, состоящая из горячих паров и ударно-нагретого воздуха, которая тормозится на высоте около 6 км. Ударная волна достигает поверхности Земли с амплитудой, соответствующей избыточному давлению Ар около 20 кПа, отражается от поверхности и взаимодействует с падающей волной, в результате чего на больших расстояниях (порядка 10 км) формируется волна, распространяющаяся вдоль поверхности (осуществляется маховское отражение).
Рисунок 2 демонстрирует картину течения при поверхностном "метеорном взрыве", возникающем при падении 70-метрового астероида. Газовая струя, формирующаяся после полного испарения осколков метеороида, ударяет по поверхности Земли со скоростью 1—2 км/с. Горячий газ с
Относительная плотность 30-
' И I
1.15 1.05 0.95 0.85 0.20 0.05 0 VJ V
□ 1л Г1 km
III
20 -| 20- 1 \
II М г
10- Г 10- 1
П - t = 0 0- t = 35 c
0
1 1 1 -10 0 10 -20 -10 1 0 10 20
Рис. 1. Картина течения при вертикальном падении на Землю астероида диаметром 40 м. Показано распределение относительной плотности р/ро(г), где Ро(г) — стандартная плотность воздуха на высоте I. За начало отсчета времени принят момент касания ударной волной поверхности Земли. Расстояния вдоль горизонтальной и вертикальной осей указаны в километрах.
температурой порядка нескольких тысяч градусов ("огненный шар") быстро растекается вдоль поверхности Земли и формирует мощную ударную волну (с амплитудой выше 100 кПа на расстояниях до 10 км), распространяющуюся вдоль поверхности. Через 20—30 с горячий газ устремляется вверх вдоль метеорного следа и вылетает на высоты до нескольких сотен километров.
На рис. 3 показано формирование ударной волны у поверхности Земли при кратерообразую-щем ударе. Астероид диаметром 300 м заметно деформируется при пролете сквозь атмосферу, но почти не тормозится и падает на поверхность Земли как компактное тело. Начальные параметры ударной волны, распространяющейся вдоль поверхности, определяются взаимодействи
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.